Betreten Sie die Nano-Spinnen - unabhängige Laufroboter aus DNA

Zwei Spinnen laufen entlang einer Spur - eine scheinbar gewöhnliche Szene, aber dies sind keine gewöhnlichen Spinnen. Sie sind molekulare Roboter und wie die Spuren, die sie durchlaufen, aus DNA. Einer von ihnen hat vier Beine und marschiert über seine DNA-Landschaft, ohne sich von seinen menschlichen Schöpfern zu kontrollieren. Der andere hat vier Beine und drei Arme - er läuft entlang einer Miniatur-Montagelinie, nimmt drei Frachtstücke von Lademaschinen (ebenfalls aus DNA) auf und befestigt sie an sich. All dies geschieht im Nanometerbereich, weit über das, was das bloße Auge erkennen kann. Willkommen in der aufregenden Zukunft der Nanotechnologie.

Die beiden Roboter sind die Stars zweier neuer Artikel, die die neuesten Fortschritte bei der Herstellung unabhängiger, programmierbarer Roboter im Nanomaßstab aus einzelnen Molekülen beschreiben. Solche Kreationen sind seit Jahrzehnten in Science-Fiction-Geschichten zu hören, von Michael Crichtons Prey bis Red Dwarf . In der Realität gibt es jedoch viele Hindernisse für die Erstellung solcher Maschinen. Zunächst können große Roboter mit einer Menge Software geladen werden, die ihre Aktionen steuert - kein Glück auf Nano-Ebene.

Die beiden neuen Studien haben dieses Problem gelöst, indem die Aktionen der Roboter in ihre Umgebung und nicht in ihren Körper programmiert wurden. Auf den Schultern von Giganten stehend, verbinden beide Studien zwei der interessantesten Fortschritte in der Nanotechnologie: das Design von DNA-Maschinen, die aus der lebenswichtigen Doppelhelix des Lebens geformt wurden und die Fähigkeit besitzen, herumzulaufen; und die Erfindung des DNA-Origamis, bei dem Sätze von speziell konstruierten DNA-Molekülen zu schönen Blättern und Skulpturen zusammengefügt werden können. Kombinieren Sie die beiden und Sie erhalten einen Roboter-Wanderer und eine Spur, auf der er laufen kann.

An der Arizona State University kann sich Kyle Lunds Roboter (den er eigentlich eine Spinne nennt) völlig von alleine bewegen. Das Programm ist vollständig in die Landschaft geschrieben. Der Körper der Spinne ist ein Molekül, das Streptavidin genannt wird, und jedes seiner Beine ist einsträngige "DNAzymees" - eine Hälfte der berühmten Doppelhelix, mit der zusätzlichen Fähigkeit, andere DNA-Stränge zu schneiden. Auf diese Weise wird die Länge eines Stranges, auf dem er gerade läuft, verkürzt.

Die Spinne geht entlang eines DNA-Origamiblattes mit Sequenzen, die zu den Strängen der Spinnenbeine passen. Wenn die Spinne einen Schritt macht, bleibt ihr Bein an einem dieser komplementären Stränge hängen und schneidet es, wodurch das Stück der Spur verkürzt wird. Diese verkürzte Oberfläche wirkt weniger stark mit den Beinen der Spinne zusammen als ein Stück voller Länge, und dies ist der Schlüssel, um die Spinne in eine einzige Richtung zu bewegen.

Wenn die Spinne tritt, hinterlässt sie eine Spur abgeschnittener, unansehnlicher DNA mit Pfaden frischer, verlockender Fäden. Seine Beine könnten irgendwo landen, aber sie bleiben länger auf einer Strecke, auf die noch nicht getreten wurde. Selbst wenn er zufällig einen Sprung macht, sollte er sich schließlich in ein neues Terrain bewegen. Wenn Sie die Spur so schmal machen, dass sie nur in eine Richtung fahren kann, kann Lund die Schritte lenken. Es ist ein teuflisch kluges System - die Laufspinne gestaltet ihre Umgebung auf eine Weise, die ihr eigenes Verhalten steuert.

Nur drei der Beine sind zum Laufen. Der vierte ist ein Anker, der den Roboter zu seinem Startpfosten führt, und es braucht ein spezielles kurzes Stück DNA, um ihn freizulassen. Dieser kleine Abzug bleibt stattdessen in der Ausgangsposition, stößt das vierte Bein des Roboters aus und gibt die anderen drei frei, um es weiterzutragen. Der Roboter folgt der Kurve der Spur, bis er eine vorgegebene Ziellinie erreicht, eine DNA-Strecke, die seine Beine nicht schneiden können.

Inzwischen hat Hongzhou Gu an der New York University einen DNA-Roboter gebaut, der auf einer DNA-Origami-Landschaft unterwegs ist. Sein Wanderer ist nicht so unabhängig wie Lunds und braucht die richtigen Auslöser, um seine Schritte zu unternehmen. Aber was es in Autonomie opfert, macht es in Komplexität wett. Dieser Roboter ist Teil einer Nano-Fabrik, einer Miniatur-Montagelinie, die acht verschiedene Produkte herstellen kann.

Wie Lunds Spinne hat Gu's dreieckiger Roboter Einzelstrang-DNA für die Gliedmaßen, aber er hat vier Beine und drei Arme. Die Beine laufen entlang einer speziell entworfenen DNA-Landschaft, aber sie schneiden nicht die Stränge ab, auf die sie treten. Stattdessen benötigt der Roboter Ankerstränge, um seine Beine mit den Schienen zu verbinden, und Brennstoffstränge, um sie zu verschieben. Durch sequentielles Hinzufügen dieser Stränge kann Gu seinen Roboter zum Laufen bringen. Bisher scheint dies ein weniger beeindruckendes und elegantes System zu sein als Lunds autonomer Spaziergänger.

Aber Gu's Roboter ist nicht allein. Es wird von drei weiteren DNA-Lademaschinen begleitet, von denen jede eine andere Ladung Goldpartikel befördert - eine kleine 5-Nanometer-Einheit, ein Paar davon und eine große (r) 10-Nanometer-Maschine. Jeder dieser Lader kann auf eine Position in der Position Aus eingestellt werden. Wenn der Roboter läuft, trifft er auf jeden Lader, und diejenigen, die eingeschaltet sind, transportieren ihre Ladung dorthin. Durch die Optimierung der Einstellungen der Lader kann Gu acht mögliche Produkte erstellen, die aus einer Kombination der drei Arten von Goldpartikeln geschmiedet werden.

Nun, das ist beeindruckend - in einem verwandten Leitartikel sagt Lloyd Smith von der University of Wisconsin: „Dies ist das erste Mal, dass Systeme von Nanomaschinen anstelle von Einzelgeräten für Operationen eingesetzt werden, was einen entscheidenden Fortschritt in der Entwicklung von DNA-Nanotechnologie. “

Keiner der Roboter kann die berauschenden Höhen der Science-Fiction-Nanotechnologie recht hochschätzen. Der eine ist autonom, aber einfach, während der andere komplex ist, aber viel menschliches Eingreifen erfordert. Und beide sind in den Dingen, die sie tun können, ziemlich begrenzt. Aber diese Roboter machen winzige, aber wichtige Schritte auf dem Weg zu größeren Dingen. Sie sind ein Zeichen dafür, dass die Nanotechnologie in der Zukunft große Fortschritte macht.

Referenz: Nature //dx.doi.org/10.1038/nature09012 und //dx.doi.org/10.1038/nature09026

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