DNAから作られたロボットはいつの日かあなたの体の中に薬を運ぶことができます

DNA「オリガミ」表面で貨物の仕分け作業をまとめて実行する2台のDNAロボットの(非常に)概念的な図。(画像:Demin Liu)

古典的な1966年のアメリカのSF映画「ミクロの決死圏」では、潜水艦の乗組員が小型化され、脳内の血栓を固定するために体内に注入されました。それは明らかに将来の医学がどのように機能するかではありませんが、複雑なタスクを実行するための顕微鏡機械を作成するという概念は確かに正しいです。DNAから作られたロボットが分子を分類して特定の場所に届けるようにプログラムされた最近の進歩は、この未来的な方向への重要な一歩を表しています。

ナノテクはまだ初期の段階ですが、カリフォルニア工科大学の新しい研究は、このパイントサイズのテクノロジーの途方もない可能性を示しています。AnupamaThubagereとLuluQianが率いるCalTechの研究チームは、DNAからロボットを構築し、個々の分子を指定された場所に運ぶようにプログラムしました。最終的には、このテクノロジーを使用して、さまざまな種類の分子を体全体に輸送することができます。これにより、ドラッグデリバリーから、体が感染症と戦う方法、顕微鏡測定の方法まで、あらゆるものが変わる可能性があります。

現在、DNAナノサイエンスには、DNAから分子サイズのデバイスを作成する科学の3つの新しい分野があります。DNA鎖からのナノ構造の自己組織化、分子計算とデータストレージ、および公開された研究の焦点であるDNAロボティクスです。今日の科学。DNAナノサイエンスの中心的な前提は、分子デバイスやシステムを最初から作成するのではなく、すでに多くのことを理解している自然の力を活用できるということです。最終的に分子機械を習得すれば、プログラム可能な機能を備えた顕微鏡サイズのロボットを構築し、細胞や到達困難な癌性腫瘍など、他の方法では到達できない場所にロボットを送ることができるようになります。

実験前 、DNAのロボットは、単純なタスクを実行する能力を実証し、だけでなく、汎用的なDNAロボットの開発に向けた道を開いている間に、この最新の取り組みは、かなり複雑さのレベルをランプアップ。

「DNAロボットが貨物仕分けタスクを実行するようにプログラムされたのは初めてですが、タスク自体よりも重要であるため、この一見複雑なタスク、および場合によっては他の多くのタスクを、DNAロボットが使用するようにプログラムできることを示しました。非常にシンプルでモジュール式のビルディングブロック」とQianはGizmodoへのメールで説明しました。「これは、複数のDNAロボットが同じタスクをまとめて実行することを示す最初の例でもあります。」

新しい研究のために、研究者たちは、テストプラットフォームに沿って歩き、分子貨物を見つけて特定の場所に配達するという所定のタスクをまとめて実行できるDNAロボットのグループを設計しました。ボットはこれを自律的に行​​うことができました。

分子貨物配送システムの概念図。(画像:エラマルスタジオ)

わずか53ヌクレオチドの一本鎖DNA分子から構築された各ロボットには、歩行用の「脚」と物体を拾うための「腕」が装備されていました。ボットの高さは20ナノメートル、歩行距離は6ナノメートルで、1ナノメートルは10億分の1メートルです。遠近法では、人間の髪の毛の直径は約50,000〜100,000ナノメートルであるため、ここで説明しいるスケールは途方もなく小さいです。

貨物には、研究者たちは2種類の分子を使用し、それぞれが別個の一本鎖DNA片でした。テストでは、研究者は2次元の折り紙(自己折り畳み)DNAテストプラットフォームの表面に沿ったランダムな場所に貨物を置きました。歩くDNAロボットは、この表面に沿って平行に移動し、貨物を探しました。

ロボットが適切な場所で適切な貨物をうまく拾い上げて降ろしたかどうかを確認するために、研究者は2つの蛍光染料を使用して分子を区別しました。科学者たちは、このサイズのロボットにメモリを内蔵するようにプログラムできる段階にまだ達していないため、代わりに、ロボットは貨物に「一致」するように設計されています。

「貨物のタイプごとに特定のドロップオフ場所を設計しました。タイプが一致する場合、ドロップオフ場所はロボットに貨物を解放するように信号を送ります。そうしないと、ロボットは歩き回り、別のドロップオフ場所を探し続けます」とQian氏は説明します。「ロボットは賢くないと思うかもしれません。しかし、ここに分子機械を構築するための重要な原則があります。複雑な生化学的環境で確実に機能できるように、個々の分子をできるだけ単純にしますが、スマートが異なる分子に分散される分子のコレクションができることを利用します。 」

研究者たちは、各DNAロボットがそのタスクを完了するのに約300ステップ、または以前の取り組みの約10倍を要したと推定しています。

「DNAロボットで複雑な動作をプログラムし、DNAオリガミを使用して各タスクを区分化することに成功しました」とThubagere氏は述べています。

実験では、貨物分子の80%が選別されたため、改善の余地があります。QianとThubagereは、すべての分子が正しく合成されたわけではない、またはロボットやテストプラットフォームの一部に欠陥があると仮定しています。これをすべて理解し、さまざまな環境条件下でDNAロボットをテストするために、これらのことを私たちの体で機能させるには、さらに多くの作業を行う必要があります。この新しい研究は、科学者が追求し続けるための実行可能な方法論を提供します。

「私がこの仕事に期待する最大の意味は、より多くの研究者に、さまざまなタスクに対応するモジュール式、集合的、適応型のDNAロボットを開発し、人工分子機械を構築するための工学原理を真に理解し、それらを簡単にすることです。巨視的なロボットとしてプログラム可能です」とQian氏は述べています。

[科学]

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