Alexander
DNA jest jedną z najbardziej niesamowitych cząsteczek w przyrodzie; zapewnia bowiem możliwość wykonania instrukcji potrzebnych do stworzenia niemal każdej formy życia
na Ziemi. Ostatnio naukowcy znaleźli sposoby na dalsze wykorzystanie DNA, nie tylko do przechowywania informacji, lecz również do tworzenia części fizycznych szeregu maszyn biologicznych. Kwas dezoksyrybonukleinowy lub “DNA” niesie informację genetyczną, dzięki której wszystkie żywe organizmy mogą funkcjonować. Zazwyczaj występuje w kształcie podwójnej spirali, wykonanej z dwóch jednoniciowych cząsteczek DNA złożonych w spiralę. Każda z nich składa się z serii czterech różnych typów części cząsteczkowych : adenina (A), guanina (G), tymina (T) i cytozyna (C). Geny są zbudowane z różnych sekwencji tych elementów blokowych oraz kolejności w jakiej pojawiają się w nici DNA, kodując w ten sposób informację genetyczną. Projektowanie różnych sekwencji A, G, T i C, które niedawno naukowcy byli w stanie opracować, jest innym sposobem składania DNA w różnych kształtach origami, poza konwencjonalną podwójną spiralą. Podejście to otwiera nowe możliwości wykorzystania DNA poza jego genetycznym i biologicznym przeznaczeniem, przekształcając go w lego-podobny materiał budowlany dla obiektów, o średnicy zaledwie kilku miliardowych części metra – nano. Materiały oparte o DNA są obecnie wykorzystywane do różnych zastosowań, od szablonów elektronicznych nanourządzeń, po sposoby precyzyjnego przenoszenia leków do chorych komórek.
Nanotermometry oparte na DNA
Projektowanie urządzeń elektronicznych, które są po prostu wielkości nanometra otwiera cały wachlarz możliwych zastosowań, ale sprawia również, że trudniej jest dostrzec ich wady. Radząc sobie z tym problemem, naukowcy z Uniwersytetu w Montrealu wykorzystali DNA do stworzenia ultraczułego termometru w nanoskali, który może pomóc znaleźć defekty w nanourządzeniach i może być również wykorzystywany do monitorowania temperatury wewnątrz żywych komórek. Nanotermometry zbudowane są za pomocą pętli DNA, która działa jak przełącznik, składając się lub rozkładając wraz ze zmianami temperatury. Ruch może być wykryty przez czujniki optyczne które można zamocować do DNA. Naukowcy chcą już teraz wbudować te nanotermometry do większych urządzeń DNA, które mogą pracować wewnątrz ludzkiego ciała.
Nanoroboty biologiczne
Naukowcy z Harvard Medical School wykorzystali DNA by zaprojektować i zbudować nanowymiarowego robota, który dostarcza lek do ściśle określonych komórek. Nanorobot ma formę otwartej beczki wykonanej z DNA, której obie połowy są połączone za pomocą zawiasu i zamknięte specjalnymi uchwytami DNA. Uchwyty te mogą rozpoznawać kombinacje specyficznych białek obecnych na powierzchni komórek, w tym tych, związanych z chorobą. Kiedy robot styka się z odpowiednimi komórkami, zbiornik się otwiera i dostarcza swój ładunek. Gdy w testach “urządzenia” zastosowano mieszaninę zdrowych i nowotworowych komórek ludzkiej krwi, to roboty wykazały zdolność do namierzania i zabijania nowotworów, podczas gdy prawidłowe komórki pozostały nienaruszone.
Bio-komputery w żyjących zwierzętach
Ponieważ konstrukcje DNA mogą działać jako przełączniki, przechodzące z jednego położenia w drugie, to mogą być również wykorzystywane do wykonywania komputerowych operacji logicznych. Naukowcy z Harvardu i Uniwersytetu Bar-Ilan w Izraelu wykorzystali tę zasadę do budowania różnych robotów w nanoskali, które mogą współdziałać ze sobą poprzez wykorzystanie przełączników DNA i reagować tworząc różne sygnały. Co więcej, naukowcy wszczepili roboty karaluchowi. Pozwoliło im to rozwinąć nowy typ komputera biologicznego, który może kontrolować dostarczanie cząsteczek terapeutycznych do organizmu karalucha przez przełączanie elementów ich struktury “właczony” lub “wyłączony”. Próba wykorzystania tych nanorobotów DNA przeprowadzona będzie obecnie na ludziach.
Anteny dla zbierania światła
Tak jak tworzenie nanomaszyn, DNA może dać nam możliwość kopiowania naturalnych procesów w nanoskali. Na przykład, natura może nam wskazać jak uchwycić energię słoneczną przy pomocy fotosyntezy i konwertować ją na energię chemiczną, która działa jako paliwo dla roślin i innych organizmów. Naśladując ten proces, naukowcy z Arizona State University i University of British Columbia zbudowali strukturę DNA złożoną z trzech ramion, która przechwytuje i transferuje światło. Fotosynteza występuje w organizmach żywych dzięki drobnym „antenom” składającym się z dużej liczby cząsteczek pigmentu w określonych położeniach i odległości od siebie, które są zdolne do absorbowania światła widzialnego. Sztuczne konstrukcje oparte na DNA pełnią funkcje podobne tym antenom kontrolując regulację położenia poszczególnych cząsteczek barwnika, pochłaniającego energię świetlną i doprowadzającego ją do ośrodka reakcji, gdzie jest przekształcana w energię chemiczną. Badania te mogą utorować drogę dla urządzeń umożliwiających bardziej efektywne wykorzystanie najbardziej obfitego źródła energii jakie mamy do dyspozycji: światło słoneczne.
Co będzie następne w nanotechnologii DNA? Trudno powiedzieć, ale wraz z DNA, natura dała nam wszechstronne narzędzie. Od nas zależy jak najlepiej je wykorzystamy.
Matteo Palma
Singularity Hub