I ricercatori hanno ideato un sistema di controllo magnetico per far muovere piccoli robot basati sul DNA su richiesta e molto più velocemente di quanto recentemente possibile.

Nel diario Comunicazioni sulla natura , Carlos Castro e Ratnasingham Sooryakumar e i loro colleghi della Ohio State University riferiscono che il sistema di controllo ha ridotto il tempo di risposta dei prototipi di componenti di nano-robot da diversi minuti a meno di un secondo.

Non solo la scoperta rappresenta un significativo miglioramento della velocità, questo lavoro e un altro studio recente annunciano il primo diretto, controllo in tempo reale di macchine molecolari basate sul DNA.

La scoperta potrebbe un giorno consentire ai nano-robot di fabbricare oggetti, come dispositivi per la somministrazione di farmaci, con la stessa rapidità e affidabilità delle loro controparti a grandezza naturale. In precedenza, i ricercatori potevano spostare il DNA solo indirettamente, inducendo reazioni chimiche per convincerlo a muoversi in determinati modi, o introducendo molecole che riconfigurano il DNA legandosi ad esso. Questi processi richiedono tempo.

"Immagina di dire a un robot in una fabbrica di fare qualcosa e di dover aspettare cinque minuti prima che esegua un singolo passaggio di un'attività. Era il caso dei metodi precedenti per controllare le nanomacchine del DNA, " disse Castro, professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale.

"Metodi di manipolazione in tempo reale come il nostro approccio magnetico consentono agli scienziati di interagire con nanodispositivi di DNA, e, a sua volta, interagire con molecole e sistemi molecolari che potrebbero essere accoppiati a quei nano-dispositivi in ​​tempo reale con un feedback visivo diretto".

In lavori precedenti, Il team di Castro ha utilizzato una tecnica chiamata DNA origami per piegare singoli filamenti di DNA per formare semplici strumenti microscopici come rotori e cerniere. Hanno persino costruito un "cavallo di Troia" con il DNA per fornire farmaci alle cellule tumorali.

Per questo nuovo studio, i ricercatori si sono uniti a Ratnasingham Sooryakumar, professore di fisica. In precedenza ha sviluppato "pinzette" magnetiche microscopiche per lo spostamento di cellule biologiche in applicazioni biomediche come la terapia genica. Le pinzette erano in realtà fatte di gruppi di particelle magnetiche che si muovevano in sincronia per spingere le cellule dove le persone volevano che andassero.

Quelle particelle magnetiche, mentre invisibile ad occhio nudo, erano ancora molte volte più grandi di una delle nanomacchine di Castro, Ha spiegato Sooryakumar.

"Avevamo scoperto un modo per sfruttare il potere delle forze magnetiche per sondare il mondo microscopico, un mondo nascosto di sorprendente complessità, " ha detto. "Ma volevamo passare dal micro-mondo al nano-mondo. Questo ha portato alla collaborazione con il Dr. Castro. Le sfide erano ridurre di mille volte la funzionalità delle nostre particelle, accoppiarli in posizioni precise sulle parti mobili delle macchine e incorporare molecole fluorescenti come segnali luminosi per monitorare le macchine mentre si muovono".

Per questo studio, il team ha costruito canne, rotori e cerniere utilizzando DNA origami. Quindi hanno utilizzato leve rigide del DNA per collegare i componenti nanoscopici a perline in miniatura realizzate in polistirene impregnato di materiale magnetico. Regolando un campo magnetico, hanno scoperto che potevano comandare alle particelle di far oscillare i componenti avanti e indietro o di ruotarli. I componenti hanno eseguito i movimenti istruiti in meno di un secondo.

Per esempio, il nano-rotore è stato in grado di ruotare di 360 gradi in circa un secondo con un movimento continuamente controllato guidato da un campo magnetico rotante. La nano-cerniera poteva essere chiusa o aperta in 0,4 secondi, o tenuto ad un angolo specifico con una precisione di 8 gradi.

Questi movimenti avrebbero potuto richiedere diversi minuti se eseguiti con metodi tradizionali, disse Castro. Immagina che un giorno nanomateriali complessi o complessi biomolecolari potrebbero essere fabbricati in nanofabbriche basate sul DNA che rilevano e rispondono al loro ambiente locale.

Lo studio ha tardato ad arrivare:i ricercatori hanno deciso di fondere la piattaforma magnetica di Sooryakumar con i dispositivi del DNA di Castro anni fa. "Ci è voluto molto lavoro dedicato da parte di diversi studenti per realizzare quell'idea, e siamo entusiasti di continuare a costruire su questo. Questo studio dimostra un entusiasmante progresso che è stato possibile solo con questa collaborazione interdisciplinare", ha affermato Castro.