Каждый цветок использует ДНК как миниатюрную компьютерную программу, которая определяет его движения и реакции на окружающий мир. При изменении условий среды, например при повышении или понижении кислотности, цветок может открываться, закрываться или запускать химическую реакцию. Это означает, что такие роботы на основе ДНК однажды смогут выполнять задачи самостоятельно — от доставки лекарств до очистки от загрязнений. Работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.
Микроскопические «ДНК-цветы» могут доставлять лекарства туда, где они нужны
Исследователи из Университета Северной Каролины разработали микроскопических мягких роботов в форме цветов, способных менять форму и поведение в ответ на изменения окружающей среды подобно живым организмам. Эти «ДНК-цветы» созданы из специальных кристаллов, образованных комбинацией ДНК и неорганических материалов, и могут складываться и раскрываться за считанные секунды.
Визуализация микроскопических «ДНК-цветов», созданных Ронит Фриман в лаборатории Фримана в UNC. Justin Hill, Philip Rosenberg, and Ronit Freeman
ДНК давно известна как носитель генетической информации, но в последние десятилетия ученые научились использовать ее как строительный материал для создания наноструктур. Методика называется ДНК-оригами: молекулы складываются в заданные формы благодаря способности комплементарных оснований связываться друг с другом. Ранее такие структуры были статичными, но новая разработка делает их динамичными и способными реагировать на стимулы автономно.
«Людям хотелось бы иметь умные капсулы, которые автоматически активировали бы лекарство при обнаружении болезни и останавливались, когда она излечена. В принципе, это может стать возможным с нашими материалами, меняющими форму», — говорит доктор Ронит Фриман, старший автор исследования и руководитель лаборатории в Университете Северной Каролины.
Как ученые выращивали ДНК-цветы
Формирование ДНК-цветка.
Идея была вдохновлена природными процессами: раскрытием лепестков цветов, пульсацией кораллов и формированием тканей в живых организмах. Исследователи хотели воспроизвести это сложное поведение в искусственных материалах. Секрет их успеха заключается в особом расположении ДНК внутри кристаллов. Когда окружающая среда становится более кислой, части ДНК плотно складываются, заставляя цветок закрываться. При возвращении к нормальным условиям ДНК ослабевает, и лепестки снова открываются.
Хотя технология все еще находится на ранней стадии тестирования, команда представляет захватывающие варианты применения. Однажды эти ДНК-цветы можно будет вводить в организм, где они достигнут опухоли. Кислотность опухоли заставит лепестки закрыться, высвобождая лекарство или получая крошечный образец ткани. Когда опухоль исчезнет, цветы снова раскроются и деактивируются, готовые отреагировать вновь при возвращении болезни.
Помимо медицины, эти умные материалы могут использоваться для ликвидации экологических катастроф, высвобождая очищающие агенты в загрязненную воду и затем безвредно растворяясь после завершения работы. Они даже могут хранить огромные объемы цифровой информации — до двух триллионов гигабайт в чайной ложке, предлагая более экологичный и эффективный способ хранения данных.