Un team di scienziati della Columbia University, Università statale dell'Arizona, l'Università del Michigan, e il California Institute of Technology (Caltech) hanno programmato un "robot" molecolare autonomo fatto di DNA per l'avvio, spostare, giro, e fermati mentre segui una traccia del DNA.

Lo sviluppo potrebbe infine portare a sistemi molecolari che un giorno potrebbero essere utilizzati per dispositivi terapeutici medici e robot riconfigurabili su scala molecolare:robot costituiti da molte unità semplici che possono riposizionarsi o addirittura ricostruirsi per svolgere compiti diversi.

Un articolo che descrive il lavoro appare nell'attuale numero della rivista Natura .

La visione tradizionale di un robot è che è "una macchina che percepisce il suo ambiente, prende una decisione, e poi fa qualcosa:agisce, "dice Erik Winfree, professore associato di informatica, sistemi di calcolo e neurali, e bioingegneria al Caltech.

Milan N. Stojanovic, un membro di facoltà nella Divisione di Terapia Sperimentale presso la Columbia University, ha guidato il progetto e ha collaborato con Winfree e Hao Yan, professore di chimica e biochimica all'Arizona State University ed esperto di nanotecnologie del DNA, e con Nils G. Walter, professore di chimica e direttore del Single Molecule Analysis in Real-Time (SMART) Center presso l'Università del Michigan ad Ann Arbor, per quella che è diventata una moderna auto-assemblea di scienziati che la pensano allo stesso modo con le aree di competenza complementari necessarie per affrontare un problema difficile.

Ridurre i robot su scala molecolare fornirebbe, per processi molecolari, gli stessi tipi di benefici che la robotica classica e l'automazione forniscono su scala macroscopica. Robot molecolari, in teoria, potrebbe essere programmato per percepire il loro ambiente (diciamo, la presenza di marcatori di malattia su una cellula), prendere una decisione (che la cellula è cancerosa e deve essere neutralizzata), e agire su tale decisione (consegnare un carico di farmaci antitumorali).

O, come i robot di una moderna fabbrica, potrebbero essere programmati per assemblare prodotti molecolari complessi. Il potere della robotica sta nel fatto che una volta programmato, i robot possono svolgere i loro compiti in modo autonomo, senza ulteriori interventi umani.

Con quella promessa, però, nasce un problema pratico:come si programma una molecola per eseguire comportamenti complessi?

"Nella robotica normale, il robot stesso contiene la conoscenza dei comandi, ma con singole molecole, non puoi memorizzare quella quantità di informazioni, quindi l'idea invece è quella di memorizzare le informazioni sui comandi all'esterno, " dice Walter. E tu lo fai, dice Stojanovic, "permeando l'ambiente della molecola con segnali informativi".

"Siamo stati in grado di creare un ambiente così programmato o 'prescritto' utilizzando l'origami del DNA, " spiega Yan. DNA origami, un'invenzione del Caltech Senior Research Associate Paul W. K. Rothemund, è un tipo di struttura autoassemblata fatta di DNA che può essere programmata per formare forme e schemi quasi illimitati (come faccine sorridenti o mappe dell'emisfero occidentale o persino schemi elettrici). Sfruttando le proprietà di riconoscimento della sequenza dell'accoppiamento delle basi del DNA, Gli origami di DNA sono creati da un lungo filamento singolo di DNA e una miscela di diversi filamenti di DNA sintetici corti che si legano e "ficcano" il lungo DNA nella forma desiderata. L'origami utilizzato nel Natura studio era un rettangolo di 2 nanometri (nm) di spessore e circa 100 nm su ciascun lato.

I ricercatori hanno costruito una scia di "briciole di pane" molecolari sulla traccia dell'origami del DNA infilando ulteriori molecole di DNA a singolo filamento, o oligonucleotidi, fuori le estremità delle graffette. Questi rappresentano i segnali che dicono ai robot molecolari cosa fare:iniziare, camminare, Girare a sinistra, Girare a destra, o fermati, per esempio, simili ai comandi dati ai robot tradizionali.

Il robot molecolare che i ricercatori hanno scelto di utilizzare, soprannominato "ragno", è stato inventato da Stojanovic diversi anni fa, in quel momento si dimostrò in grado di estendersi, ma non diretto, passeggiate casuali su superfici bidimensionali, mangiare attraverso un campo di briciole di pane.

Per costruire il robot molecolare da 4 nm di diametro, i ricercatori hanno iniziato con una proteina comune chiamata streptavidina, che ha quattro tasche leganti disposte simmetricamente per una frazione chimica chiamata biotina. Ogni gamba del robot è un breve filamento di DNA marcato con biotina, "così in questo modo possiamo legare fino a quattro zampe al corpo del nostro robot, " dice Walter. "È un ragno a quattro zampe, " scherza Stojanovic. Tre delle gambe sono fatte di DNA enzimatico, che è il DNA che si lega e taglia una particolare sequenza di DNA. Il ragno è anche dotato di un "filo di partenza" - la quarta gamba - che lega il ragno al sito di partenza (un particolare oligonucleotide sulla traccia dell'origami del DNA). "Dopo che il robot è stato rilasciato dal suo sito di partenza da un filo di innesco, segue la traccia legandosi e quindi tagliando i filamenti di DNA che si estendono dai filamenti di base sulla traccia molecolare, "Spiega Stojanovic.

"Una volta che si fende, "aggiunge Yan, "il prodotto si dissocia, e la gamba comincerà a cercare il substrato successivo." In questo modo, il ragno viene guidato lungo il percorso tracciato dai ricercatori. Finalmente, spiega Yan, "il robot si ferma quando incontra una chiazza di DNA a cui può legarsi ma che non può tagliare, " che agisce come una sorta di carta moschicida.

Sebbene altri camminatori del DNA siano stati sviluppati in precedenza, non si sono mai avventurati oltre i tre passi. "Questo, "dice Yan, "può camminare fino a circa 100 nanometri. Sono circa 50 passi."

"Questa di per sé non è stata una sorpresa, " aggiunge Winfree, "poiché il lavoro originale di Milano suggeriva che i ragni possono compiere centinaia se non migliaia di passaggi processuali. Ciò che è eccitante qui è che non solo possiamo confermare direttamente il movimento multistep dei ragni, ma possiamo indirizzare i ragni a seguire un percorso specifico, e fanno tutto da soli, in modo autonomo."

Infatti, utilizzando la microscopia a forza atomica e la microscopia a fluorescenza a molecola singola, i ricercatori sono stati in grado di guardare direttamente i ragni che strisciavano sugli origami, dimostrando che erano in grado di guidare i loro robot molecolari a seguire quattro percorsi diversi.

"Il monitoraggio a livello di singola molecola è molto impegnativo, " dice Walter. "Per questo abbiamo un approccio interdisciplinare, funzionamento multi-istituto. Abbiamo persone che costruiscono il ragno, che caratterizza il ragno di base. Abbiamo la capacità di assemblare la pista, e analizzare il sistema con l'imaging a singola molecola. Questa è la sfida tecnica." Le sfide scientifiche per il futuro, Yan dice, "sono come far camminare il ragno più velocemente e come renderlo più programmabile, in modo che possa seguire molti comandi in pista e prendere più decisioni, attuare un comportamento logico".

"Nel sistema attuale, "dice Stojanovic, "le interazioni sono limitate al camminatore e all'ambiente. Il nostro prossimo passo è aggiungere un secondo camminatore, così i camminatori possono comunicare tra loro direttamente e attraverso l'ambiente. I ragni lavoreranno insieme per raggiungere un obiettivo." Aggiunge Winfree, "La chiave è come imparare a programmare comportamenti di livello superiore attraverso interazioni di livello inferiore".

Tale collaborazione alla fine potrebbe essere la base per lo sviluppo di robot riconfigurabili su scala molecolare, macchine complicate costituite da molte unità semplici che possono riorganizzarsi in qualsiasi forma, per svolgere compiti diversi, o ripararsi se si rompono. Per esempio, potrebbe essere possibile utilizzare i robot per applicazioni mediche. "L'idea è che i robot molecolari costruiscano una struttura o riparino i tessuti danneggiati, "dice Stojanovic.

"Potresti immaginare il ragno che trasporta un farmaco e si lega a una superficie bidimensionale come una membrana cellulare, trovare i recettori e, a seconda dell'ambiente locale, "aggiunge Yan, "innescare l'attivazione di questo farmaco."

Tali applicazioni, mentre intrigante, sono decenni o più di distanza. "Potrebbero essere 100 anni nel futuro, "Stojanovic dice. "Siamo così lontani da quello in questo momento."

"Ma, " Walter aggiunge, "proprio come i ricercatori oggi si autoassemblano per risolvere un problema difficile, i nanorobot molecolari potrebbero farlo in futuro".