ДНК-роботы на батарейках, которые могут подавать сигналы, выполнять вычисления и сбрасывать груз.
Исследователи из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана, Университета Эмори и Технологического института Джорджии разработали новый класс автономных нанороботов, созданных на основе реконфигурируемых массивов ДНК-оригами.
Нанороботы основаны на сетях соединённых двухуровневых ДНК. Это массивы, которые можно запрограммировать на реагирование на сигналы окружающей среды.
Авторы исследования отмечают, что эти реконфигурируемые массивы были впервые представлены в 2017 году в лаборатории Юнгана Кэ. Их потенциал как функциональных роботизированных систем вырос благодаря многолетним исследованиям трансформации их узлов.
«Я высказал идею о том, что было бы неплохо наблюдать правила трансформации, визуализируя состояние отдельных соединений в массиве с помощью пар красителей-гасителей и спектроскопии отдельных молекул», — сказал соавтор Филип Тиннефельд.
Многошаговый программируемый нанобот
Подробно изложенная в журнале Science Robotics, эта работа в области робототехники молекулярного масштаба продвигает программируемые многошаговые задачи, приводимые в действие энергией, хранящейся непосредственно в структурах ДНК.
В последние годы сотрудничающие группы анализировали, как ДНК-массивы меняют форму и как можно контролировать эти трансформации. Они также изучали роль последовательностей в местах соединения, опубликовав в 2024 и 2025 годах две ключевые статьи, которые помогли сформировать детальное понимание трансформации наноматриев.
Прорыв, приведший к созданию нового наноробота, совершили аспиранты Фиона Коул и Мартина Пфайффер из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана. Они поняли, что созданные Ке массивы оригами можно рассматривать как программируемую аппаратную систему, где каждое соединение может служить независимым элементом. «Фиона и Мартина осознали уникальный потенциал реконфигурируемых массивов для многошаговых функций», — сказал Тиннефельд.
Они предложили рассматривать каждое соединение как компонент, который можно модифицировать с помощью «замков, устройств задержки времени, сигнальных устройств или устройств сброса груза», которые действовали бы как своего рода программное обеспечение, управляющее оборудованием на основе ДНК. Это расширяло предыдущие исследования, в которых системы ДНК-оригами обычно работали только в двух состояниях.
Исследователи также показали, что эти массивы могут быть предварительно загружены триггерными цепями ДНК, которые хранят энергию в виде молекулярной деформации. Кэ описал результат как «наномасштабную машину, работающую на батарейках», добавив: «Ещё одна уникальная особенность этого реконфигурационного массива заключается в том, что его можно предварительно загрузить энергией, чтобы он мог работать автономно без дополнительного источника энергии. Это немного похоже на заводной автомобиль, который хранит энергию в виде деформации».
Демонстрация автономной работы в наномасштабе
Наномассивы содержат десятки взаимосвязанных «антипереходов», каждый из которых может быть модифицирован для выполнения определенных задач. Благодаря соединению модулей они также могут взаимодействовать, обеспечивая сложные каскады сигналов и структурных изменений. Исследователи продемонстрировали, что каждый переход может работать независимо, активируя сигналы или высвобождая небольшие грузы по команде.
«Благодаря тестированию и разработке каждого функционального блока и их объединению в наномассив, был создан этот автономный нанобот с программируемыми функциями», — сказал Кэ. Команда сравнила систему с программируемой вентильной матрицей (ПЛИС), где аппаратное обеспечение можно динамически настраивать с помощью набора инструментов программирования.
На пути к медицинским и диагностическим приложениям
Хотя наноробот всё ещё находится на стадии исследований, система обладает характеристиками, которые могут сделать её пригодной для медицинского применения. Он способен взаимодействовать с широким спектром молекул, белков и даже света, в отличие от многих предыдущих нанотехнологий на основе ДНК, которые ограничивались взаимодействием с нуклеиновыми кислотами. Способность массивов накапливать энергию и работать автономно, используя аллостерические молекулярные процессы, ещё больше расширяет их потенциал.
Исследователи планируют адаптировать наноробота к различным условиям и исследовать альтернативные источники энергии. «Мы также планируем решить проблему энергоснабжения нанороботов, используя концепции броуновских ДНК-вычислений», — заявили Тиннефельд и Ке, добавив, что будущие версии могут использовать свет для работы или расширить конструкцию с плоской двумерной платформы до полностью трёхмерной системы.
Sourse: interestingengineering.com
