Immagina un robot che possa aiutarti a mettere in ordine la tua casa:girovagando, smistare i calzini randagi nella biancheria e i piatti sporchi nella lavastoviglie. Anche se un tale aiuto pratico può ancora essere roba da fantascienza, Gli scienziati del Caltech hanno sviluppato una macchina molecolare autonoma in grado di svolgere compiti simili, su scala nanometrica. Questo "robot, "costituita da un singolo filamento di DNA, può "camminare" autonomamente su una superficie, raccogliere determinate molecole e lasciarle in luoghi designati.

Il lavoro è stato svolto nel laboratorio di Lulu Qian, professore assistente di bioingegneria. Appare in un articolo nel numero del 15 settembre di Scienza .

Perché i nanobot?

"Proprio come i robot elettromeccanici vengono inviati in luoghi lontani, come Marte, vorremmo inviare robot molecolari in posti minuscoli dove gli umani non possono andare, come il flusso sanguigno, " afferma Qian. "Il nostro obiettivo era progettare e costruire un robot molecolare in grado di eseguire un sofisticato compito nanomeccanico:lo smistamento dei carichi".

Come costruire un robot molecolare

Guidato dall'ex studente laureato Anupama Thubagere (PhD '17), i ricercatori hanno costruito tre elementi costitutivi di base che potrebbero essere utilizzati per assemblare un robot DNA:una "gamba" con due "piedi" per camminare, un "braccio" e una "mano" per raccogliere il carico, e un segmento in grado di riconoscere un punto di consegna specifico e segnalare alla mano di rilasciare il carico. Ciascuno di questi componenti è costituito da pochi nucleotidi all'interno di un singolo filamento di DNA.

In linea di principio, questi blocchi modulari potrebbero essere assemblati in molti modi diversi per completare compiti diversi:un robot DNA con diverse mani e braccia, Per esempio, potrebbe essere utilizzato per trasportare più molecole contemporaneamente.

Nel lavoro descritto nel documento Science, il gruppo Qian ha costruito un robot in grado di esplorare una superficie molecolare, raccogliere due molecole diverse, un colorante giallo fluorescente e un colorante rosa fluorescente, quindi distribuirle in due regioni distinte sulla superficie. L'uso di molecole fluorescenti ha permesso ai ricercatori di vedere se le molecole sono finite nelle posizioni previste. Il robot ha selezionato con successo sei molecole sparse, tre rosa e tre gialli, nei loro posti corretti in 24 ore. L'aggiunta di più robot in superficie ha ridotto il tempo necessario per completare l'attività.

"Anche se abbiamo dimostrato un robot per questo compito specifico, lo stesso design del sistema può essere generalizzato per funzionare con dozzine di tipi di carichi in qualsiasi posizione iniziale arbitraria sulla superficie, " dice Thubagere. "Si potrebbe anche avere più robot che eseguono diverse attività di smistamento in parallelo".

Progettare attraverso il DNA

La chiave per progettare macchine DNA è il fatto che il DNA ha proprietà chimiche e fisiche uniche che sono note e programmabili. Un singolo filamento di DNA è costituito da quattro diverse molecole chiamate nucleotidi, abbreviate A, G, C, e T—e disposti in una stringa chiamata sequenza. Questi nucleotidi si legano in coppie specifiche:A con T, e G con C. Quando un singolo filamento incontra un cosiddetto filamento complementare inverso, ad esempio, CGATT e AATCG:i due fili si uniscono nella classica forma a doppia elica.

Un singolo filamento contenente i nucleotidi giusti può costringere due filamenti parzialmente chiusi a zip a aprirsi l'uno dall'altro. Quanto velocemente si verifica ogni evento di compressione e decompressione e quanta energia consuma può essere stimata per una determinata sequenza di DNA, consentendo ai ricercatori di controllare la velocità con cui il robot si muove e quanta energia utilizza per eseguire un'attività. Inoltre, è possibile calcolare la lunghezza di un singolo capo o di due capi con cerniera. Così, la gamba e il piede di un robot DNA possono essere progettati per la dimensione del passo desiderata, in questo caso, 6 nanometri, che è circa un centomilionesimo della dimensione del passo di un essere umano.

Utilizzando questi principi chimici e fisici, i ricercatori possono progettare non solo robot ma anche "parchi giochi, "come pannelli molecolari, per provarli. Nel lavoro attuale, il robot DNA si muove su un pannello forato di 58 nanometri per 58 nanometri su cui i pioli sono fatti di singoli filamenti di DNA complementari alla gamba e al piede del robot. Il robot si lega a un piolo con la sua gamba e uno dei suoi piedi, l'altro piede fluttua liberamente. Quando fluttuazioni molecolari casuali fanno sì che questo piede libero incontri un piolo vicino, tira il robot al nuovo piolo e l'altro piede viene liberato. This process continues with the robot moving in a random direction at each step.

It may take a day for a robot to explore the entire board. Lungo la strada, as the robot encounters cargo molecules tethered to pegs, it grabs them with its "hand" components and carries them around until it detects the signal of the drop-off point. The process is slow, but it allows for a very simple robot design that utilizes very little chemical energy.

Futuristic Applications

"We don't develop DNA robots for any specific applications. Our lab focuses on discovering the engineering principles that enable the development of general-purpose DNA robots, " says Qian. "However, it is my hope that other researchers could use these principles for exciting applications, such as using a DNA robot for synthesizing a therapeutic chemical from its constituent parts in an artificial molecular factory, delivering a drug only when a specific signal is given in bloodstreams or cells, or sorting molecular components in trash for recycling."