ДНК-пульт и послушные микротрубочки: армия нанороботов ждёт команды

Группа японских исследователей разработала контроллер на основе ДНК, который управляет самосборкой и разборкой микроскопических роботов. Учёные из Университетов Тохоку и Киото подробно описали свое изобретение в журнале Science Advances. Благодаря этой технологии машины могут выполнять сложные задачи в недоступных для внешнего вмешательства средах, включая человеческое тело.

Для создания контроллера использовались молекулы искусственной ДНК, способные запускать сложные цепные реакции, и ферменты, которые ускоряют эти процессы. Контроллер управляет микротрубочками — белковыми структурами, отвечающими за транспортировку веществ и деление клеток. Движение трубочек обеспечивается моторным белком кинезином, который перемещает их с помощью энергии клеток.

Каждая микротрубочка покрыта специально модифицированной ДНК, что позволяет контроллеру задавать команды не только на сборку или разборку, но и направлять движение молекул. Их можно объединять в сложные пучки или, напротив, расщеплять в зависимости от поставленных задач. Такой уровень управления делает молекулярных роботов не только автономными, но и способными к координированной работе “в команде”, что особенно важно для выполнения сложных задач в ограниченных пространствах.

Автономность управления позволяет роботам функционировать там, где невозможно передавать внешние команды, например, в глубине тканей организма или в замкнутых пространствах.

Работа опирается на исследования, начатые в 2017 году под руководством профессора Номуры. Тогда команда учёных создала молекулярного робота, в котором ДНК-цепи выполняли роль механизма передачи движения. Эти цепи связывали моторные белки с оболочкой робота, позволяя изменять его форму. Управление процессом осуществлялось с помощью светового сигнала: учёные могли включать и отключать изменения формы, воздействуя на молекулы ДНК. Сейчас же управление стало полностью автоматическим, а команды выполняются быстрее и точнее благодаря программируемым ДНК-цепям.

Над проектом работали профессора Акира Какуго и Ибуки Кавамата вместе с аспирантом Кохеем Нишиямой. По словам ученых, их разработка выходит за рамки теоретического эксперимента. Они доказали, что молекулы ДНК могут служить не только строительным материалом, но и выполнять функции программного обеспечения для управления наномашинами.

Теперь поведение молекулярных роботов планируют усложнить. К системе добавят более сложные ДНК-цепи и усилители сигналов, которые позволят обрабатывать больше информации. В будущем учёные рассчитывают создать целые стаи роботов, которые смогут выполнять коллективные задачи с высокой точностью.

Разработанная технология открывает перспективы в различных областях. В медицине нанороботы помогут доставлять лекарства прямо к поврежденным клеткам, выполнять микроскопические операции и проводить диагностику на молекулярном уровне. В экологии они могут находить и уничтожать загрязнители. В материаловедении будут использоваться для создания самособирающихся материалов с уникальными свойствами.

Профессор Номура объясняет: хаотичное движение молекул, вызванное энтропией, можно контролировать, чтобы направить их на выполнение конкретных задач. Такой подход открывает путь к созданию полностью автономных систем, способных работать в условиях, где обычные технологии не справляются.

Сейчас команда сосредоточена на том, чтобы повысить стабильность своих алгоритмов. Учёные изучают, как сделать молекулярных роботов устойчивыми к неблагоприятным условиям, таким как высокая температура, колебания кислотности или давление. Эти исследования призваны адаптировать технологию для реального использования за пределами лабораторий.