首次直接实时控制基于DNA的分子机器人

研究人员已经设计出一套磁控制系统，可以使基于DNA的小型机器人按需移动 - 而且速度要比最近更快。

在Nature Communications杂志上，来自俄亥俄州立大学的Carlos Castro和RatnasinghamSooryakumar及其同事报告说，该控制系统将原型纳米机器人部件的响应时间从几分钟缩短到不到一秒。

这项发现不仅在速度上有显着的提高，而且这项工作和最近的另一项研究预示着首次直接实时控制基于DNA的分子机器。

这一发现有朝一日可以使纳米机器人像制造全尺寸的机器人一样快速可靠地制造物体，例如药物输送装置。以前，研究人员只能间接地移动DNA，诱导化学反应来哄它移动某些方式，或者引入分子，通过与DNA结合来重新配置DNA。这些过程需要时间。

“想象一下，告诉工厂中的机器人做一些事情，并且必须等5分钟才能完成一项任务，早期的DNA纳米机控制方法就是这种情况，”卡斯特罗说，机械学副教授和航空航天工程。

“像我们的磁性方法这样的实时操作方法使科学家能够与DNA纳米器件相互作用，并反过来与分子和分子系统相互作用，这些分子和分子系统可以通过直接的视觉反馈实时耦合到这些纳米器件。 “

在早期的工作中，卡斯特罗的团队使用了一种称为DNA折纸的技术来折叠单个DNA链，形成简单的微观工具，如转子和铰链。他们甚至用DNA构建了一种“特洛伊木马”，用于向癌细胞输送药物。

对于这项新研究，研究人员加入了物理学教授RatnasinghamSooryakumar。他之前开发的微型磁性“镊子”用于在生物医学应用如基因治疗中移动生物细胞。镊子实际上是由磁性粒子组成的，它们同步移动以推动人们希望他们去的细胞。

Sooryakumar解释说，那些磁性颗粒虽然肉眼看不到，但仍然比卡斯特罗的纳米机器大很多倍。

他说：“我们发现了一种利用磁力来探测微观世界的方法 - 一个惊人复杂的隐藏世界。” “但是我们想要从微观世界转向纳米世界，这导致了与卡斯特罗博士的合作，挑战是将我们的粒子的功能缩小一千倍，将它们耦合到移动的精确位置部分机器，并将荧光分子作为信标来监控机器移动的情况。“

对于这项研究，该团队使用DNA折纸构建了杆，转子和铰链。然后他们使用僵硬的DNA杆将纳米级组件连接到由聚苯乙烯浸渍磁性材料制成的微型珠子。通过调整磁场，他们发现他们可以命令粒子来回摆动组件或旋转它们。这些组件在不到一秒的时间内执行了指示动作。

例如，纳米转子能够在大约1秒内完全旋转360度，并通过旋转磁场驱动连续控制运动。纳米铰链能够在0.4秒内关闭或打开，或以8度的精度保持特定角度。

卡斯特罗说，如果用传统方法执行这些动作可能需要几分钟的时间。他设想复杂的纳米材料或生物分子复合物有朝一日可以制造在基于DNA的纳米工厂中，检测并响应当地环境。

这项研究很快就会来临：研究人员几年前决定将Sooryakumar的磁性平台与Castro的DNA设备合并。“这项研究花费了很多来自多位学生的热心工作来实现这一想法，我们很高兴能够继续在此基础上进行研究。这项研究表明，只有通过跨学科合作才能实现令人兴奋的进步。” 卡斯特罗说。