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控制基于DNA的机器人的突破

研究人员设计了一种磁控系统,可以根据需要移动基于DNA的小型机器人 - 并且比最近可能的速度快得多。

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

这项研究不仅代表了速度的显着提高,而且最近的另一项研究预示着基于DNA的分子机器的第一次直接实时控制。

有朝一日,这一发现使纳米机器人能够像全尺寸机器人那样快速可靠地制造物品 - 例如药物输送设备。以前,研究人员只能间接地移动DNA,通过诱导化学反应来诱导它移动某些方式,或引入通过与DNA结合重新配置DNA的分子。这些过程需要时间。

“想象一下,告诉工厂里的一个机器人要做一些事情并且必须等待五分钟才能完成一项任务。就像早期控制DNA纳米机器的方法一样,”机械学副教授卡斯特罗说。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那些纳米器件。 “

在早期的工作中,卡斯特罗的团队使用一种称为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制造了一种“特洛伊木马”,用于向癌细胞输送药物。

对于这项新研究,研究人员与物理学教授Ratnasingham Sooryakumar一起参加了研究。他之前开发了用于在生物医学应用(如基因疗法)中移动生物细胞的微型磁性“镊子”。镊子实际上是由一组磁性粒子组成,它们同步移动,推动人们想要它们去的细胞。

Sooryakumar解释说,这些磁性粒子虽然肉眼看不见,但仍比卡斯特罗的纳米机器大很多倍。

“我们已经发现了一种利用磁力的力量探测微观世界的方法 - 一个惊人复杂的隐藏世界,”他说。“但我们希望从微观世界过渡到纳米世界。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机器的一部分,并将荧光分子作为信标,以便在机器移动时对其进行监控。“

在这项研究中,该团队使用DNA折纸建造了杆,转子和铰链。然后,他们使用僵硬的DNA杠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,他们发现它们可以命令粒子来回摆动组件或旋转它们。组件在不到一秒的时间内执行指示的运动。

例如,纳米转子能够在大约一秒内旋转整个360度,并且由旋转磁场驱动连续控制的运动。纳米铰链能够在0.4秒内闭合或打开,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。他设想复杂的纳米材料或生物分子复合物有朝一日可以在基于DNA的纳米工厂中制造,以检测并响应当地环境。

这项研究很长一段时间:研究人员决定在几年前将Sooryakumar的磁性平台与Castro的DNA设备合并。“几位学生花了很多精力去完成这个想法,我们很高兴继续在此基础上继续发展。这项研究展示了一项令人兴奋的进步,只有通过这种跨学科合作才能实现。” 卡斯特罗说。

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