Nejnovější vydání časopisu Nature zveřejňuje dva články na stejné téma – nanorobotika na bázi DNA. Výsledkem první práce je „nanopavouk“ z proteinu a DNA, který se dokáže pohybovat po trase předem naprogramované pomocí krátkých řetězců DNA. Druhá práce prezentuje miniaturní „dopravník“, sestavený také z předprogramovaného povrchu po kterém kráčí „nosič“ mezi "sklady zboží“, kde si nakládá nanočástice zlata. I tyto sklady mají formu DNA origami. Každá svou zlatinku nanorobotu vydá, nebo ne podle předem určeného programu. To vše se odehrává na podložce, jejíž delší rozměr představuje pouhé dvě desetitisíciny milimetru.
V minulosti se DNA nanotechnologie pochlubily jednoduchými zařízeními připomínajícími například mikroskopické kleště, nebo po koberci z krátkých DNA úseků „kráčející“ vlákno deoxyribonukleové kyseliny. Pohyb obou typů zařízení řídily krátké uměle sestavené řetězce DNA, které působily v reakcích i jako enzymy.
Na Oslu jsme psali o zajímavých řešeních v článcích: DNA origami, Umělá DNA dokáže počítat, Nanotrubičky z DNA.
Nynější řešení v prvním ze zmíněných článků v Nature, jež je výsledkem spolupráce pěti známých amerických universit, má podobu asi 4 nm (4 miliontiny milimetru!) velkého DNA pavouka kráčejícího po 2 nm tlusté čtvercové podložce se stranou 100 nanometrů (desetitisícina milimetru!). Pavouček má tělo z bílkoviny streptavidin. Přes biotin (vitamin H) jsou k němu navázány čtyři krátké jednovláknové úseky DNA, přesněji DNAzymy, které slouží i jako katalyzátory reakcí nevyhnutných pro chůzi. Jenom tři z těchto čtyř "končetin" slouží k pohybu, jedna pavouka váže na startovní pozici.
Jakmile se pomocí dalšího spouštěcího krátkého řetězce DNA tato ukotvující vazba naruší (povel start), nanorobotík se samovolně vydá na cestu podle předem určené trasy. Navádějí ho krátká vlákna DNA trčící z povrchu podložky. Jsou k jeho třem nohám komplementární, to znamená, že jejich část tvoří posloupnost bází, která podle základního pravidla párování nukleotidových bází: adenin s tyminem a cytosin s guaninem, se spojí s končetinou pavouka a vytvoří s ní krátký úsek dvouvlákna DNA.
Pravidla komplementarity každou nohu navigují jenom k jednomu typu vlákna podložky s vhodnou posloupností bází. Je na vědcích, aby DNA cestu správně poskládli (naprogramovali), aby po ní nanopavouk mohl kráčet po předem určené trase a řídil se příkazy: „start“, "změň směr" a „stop“.
A jak se končetiny odpoutávají od podložky?
Vlákno „nohy“ – DNAzym - není jenom sekvence DNA, která má k vodícímu vláknu na podložce „kompatibilní“ sekvenci nukleotidů, jež umožňuje vytvoření kotvícího dvojvlákna. Obsahuje i část působící jako enzym, který to kotevní lano jednoduše rozštěpí na dva kratší úseky. Tím se vazba "končetina – vodící vlákno" výrazně oslabí. Když se noha uvolní, naváže se na nové komplementární vlákno v dosahu a enzymem odstřihnutá část toho předcházejícího zůstává za pavoukem. Ten tedy když kráčí, připojuje se na vodící vlákna vystupující z podložky, přičemž je částečně degraduje a jejich části za sebou zanechává jako drobky. Protože nová spojení jsou pevnější (do chvíle než se také rozštěpí) táhnou pavouka směrem, kde předtím nebyl a omezují jeho případný zpáteční pohyb. „Stop“ vlákna nemají úsek, který enzymatická část končetiny rozstříhává a tak pavouka napevno ukotví (odborný článek s vysvětlením). Předci pavouka zvládali jenom pár kroků, tento jich dokáže udělat asi padesát.
"Ukázali jsme jak řídit chování (DNA nanopavouka) naprogramováním povrchu," vysvětluje Milan Stojanović, inženýr v oboru biomedicíny na Kolumbijské universitě. Protože samotný nanorobot je příliš malá struktura, která neumožňuje uložení více informací pro různé úkoly, složitost celého systému lze zvyšovat pomocí programovatelného okolního prostředí. V tomto případě to umožňuje podložka z DNA, na které je možné dráhu pohybu pavoučka přestavovat. Další možností je výměna nožiček za vlákna s jinou posloupností nukleotidů. Umožňuje to připojení přes biotin.
Autory druhého článku v časopisu Nature je americko-čínská čtveřice vedená pionýrem v oblasti DNA nanotechnologií, Nadrianem Seemanem z New York University. Tento malý tým dokázal kombinací tří různých DNA nanostruktur vytvořit "dopravníkovou linku". Také jde o v podstatě stejného „nanochodce“ pohybujícího se na podložce po trase vytýčené krátkými vlákny DNA. Systém zahrnuje i tři automatické nakládací stanice umístěné v trase kráčejícího robota. Každou z nich je možné samostatně naprogramovat, jestli náklad v podobě krátkého úseku DNA s nanočásticí zlata odevzdá, nebo ne. Zlatý náklad si chodící nanorobot upevní pomocí jednoho ze tří krátkých "upevňovacích" vláken DNA, které je komplemetární k nosnému úseku se zakonponovanou zlatinkou. Maximálně vytížený nosič odnese tři zlatá břemna. Stabilitu při chůzi zajišťují čtyři DNA končetiny.
Seemanův chodící nanonosič se nepohybuje zcela autonomně. Na odpoutání končetiny od povrchu je nevyhnutné, aby se v okolitém prostředí nacházelo volné krátké vlákno DNA s takou posloupností bází, která nahradí spojení s končetinou, čímž ji osvobodí. Vzdálenost, kterou se tomuto kráčejícímu nanonosiči dosud podařilo překonat, nepřesáhla 200 nm.
Vědci s nadějí slibují, že v budoucnu by tato, zatím spíše sofistikované hrátky připomínající nanotechnologie mohla být využita například při opravě poškozené tkáně uvnitř lidského těla.