Se le nuove nano-macchine costruite alla Ohio State University vi sembrano familiari, è perché sono stati progettati pensando a parti meccaniche a grandezza naturale come cerniere e pistoni.
Il progetto è il primo a dimostrare che gli stessi principi di progettazione di base che si applicano alle tipiche parti di macchine a grandezza naturale possono essere applicati anche al DNA e possono produrre complessi, componenti controllabili per futuri nano-robot.
In un articolo pubblicato questa settimana su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , Gli ingegneri meccanici dello stato dell'Ohio descrivono come hanno usato una combinazione di DNA naturale e sintetico in un processo chiamato "DNA origami" per costruire macchine in grado di eseguire compiti ripetutamente.
"La natura ha prodotto macchine molecolari incredibilmente complesse su scala nanometrica, e uno dei principali obiettivi della bio-nanotecnologia è riprodurre sinteticamente la loro funzione, " ha detto il capo progetto Carlos Castro, professore assistente di ingegneria meccanica e aerospaziale. "Laddove la maggior parte dei gruppi di ricerca affronta questo problema da un punto di vista biomimetico, imitando la struttura di un sistema biologico, abbiamo deciso di attingere al campo ben consolidato della progettazione di macchine macroscopiche per trovare ispirazione".
"In sostanza, stiamo usando un sistema biomolecolare per imitare i sistemi di ingegneria su larga scala per raggiungere lo stesso obiettivo di sviluppare macchine molecolari, " Egli ha detto.
In definitiva, la tecnologia potrebbe creare nano-robot complessi per fornire medicinali all'interno del corpo o eseguire misurazioni biologiche su scala nanometrica, tra molte altre applicazioni. Come l'immaginario "Transformers, " una macchina per l'origami del DNA potrebbe cambiare forma per compiti diversi.
"Sono piuttosto eccitato da questa idea, " ha detto Castro. "Penso che alla fine possiamo costruire qualcosa come un sistema Transformer, anche se forse non proprio come nei film. Lo considero più come una nano-macchina in grado di rilevare segnali come il legame di una biomolecola, elaborare le informazioni sulla base di quei segnali, e poi rispondere di conseguenza, magari generando una forza o cambiando forma."
Il metodo dell'origami del DNA per realizzare nanostrutture è stato ampiamente utilizzato dal 2006, ed è ora una procedura standard per molti laboratori che stanno sviluppando futuri sistemi di somministrazione di farmaci ed elettronica. Si tratta di prendere lunghi filamenti di DNA e convincerli a piegarsi in forme diverse, quindi fissando alcune parti insieme a "graffette" realizzate con filamenti di DNA più corti. La struttura risultante è sufficientemente stabile per eseguire un compito di base, come trasportare una piccola quantità di medicinale all'interno di una struttura di DNA simile a un contenitore e aprire il contenitore per rilasciarlo.
Per creare nano-macchine più complesse in grado di eseguire tali compiti ripetutamente, Castro si unì ad Haijun Su, anche un assistente professore di ingegneria meccanica e aerospaziale presso l'Ohio State. Combinato, i due gruppi di ricerca hanno competenze in nanotecnologia, biomeccanica, ingegneria meccanica e robotica.
Castro ha detto che ci sono due chiavi per il loro approccio unico per la progettazione e il controllo del movimento delle macchine. Il primo consiste nel rendere flessibili alcune parti della struttura. Fanno parti flessibili da DNA a filamento singolo, e parti più rigide dal DNA a doppio filamento.
La seconda chiave consiste nel "sintonizzare" le strutture del DNA in modo che i movimenti delle macchine siano reversibili e ripetibili. I ricercatori punteggiano le loro strutture con filamenti di DNA sintetici che pendono dai bordi come la tenda di un tetto. Invece di unire insieme parti della macchina in modo permanente, questi fili sono progettati per agire come strisce di elementi di fissaggio a strappo:si attaccano o si staccano a seconda dei segnali chimici provenienti dall'ambiente circostante la macchina.
Nel laboratorio, gli studenti di dottorato Alexander Marras e Lifeng Zhou hanno prelevato lunghi filamenti di DNA da un batteriofago, un virus che infetta i batteri ed è innocuo per l'uomo, e li hanno "fissati" insieme a brevi filamenti di DNA sintetico.
Primo, hanno unito due rigide "tavole" di DNA con graffette flessibili lungo un bordo per creare una semplice cerniera. Castro ha paragonato il processo alla "connessione di due 2x4 di legno con pezzi di corda molto corti lungo il bordo di 4 pollici a un'estremità".
Hanno anche costruito un sistema che muoveva un pistone all'interno di un cilindro. Quella macchina usava cinque assi, tre cerniere e due tubi di diverso diametro, tutti realizzati con pezzi di DNA a doppio e singolo filamento.
Per verificare se le macchine si stavano muovendo correttamente, li hanno ripresi con la microscopia elettronica a trasmissione. Hanno anche etichettato il DNA con etichette fluorescenti, in modo che potessero osservare i cambiamenti di forma con uno spettrofluorimetro. I test hanno confermato che le cerniere si aprivano e si chiudevano e il pistone si muoveva avanti e indietro e che i ricercatori potevano controllare il movimento con l'aggiunta di segnali chimici alla soluzione, come ulteriori filamenti di DNA.
Questo approccio di progettare giunti semplici e collegarli insieme per realizzare sistemi di lavoro più complessi è comune nella progettazione di macchine macroscopiche, ma questa è la prima volta che viene fatto con il DNA, e la prima volta che qualcuno ha sintonizzato il DNA per produrre l'attivazione reversibile di un meccanismo complesso.
Il team di ricerca sta ora lavorando per espandere la progettazione di meccanismi per la messa a punto delle macchine, e cercheranno anche di aumentare la produzione delle macchine per un ulteriore sviluppo.
