![Fluorescentiemicroscopiebeelden van moleculaire zwermrobots die automatisch assembleren en demonteren. Krediet: Shin Nomura et al. Zelfassemblerende en demonterende zwerm-moleculaire robots via DNA-moleculaire controller](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2024/self-assembling-and-di-1.jpg)
Fluorescentiemicroscopiebeelden van moleculaire zwermrobots die automatisch assembleren en demonteren. Krediet: Shin Nomura et al.
Onderzoekers van de Tohoku Universiteit en de Universiteit van Kyoto hebben met succes een op DNA gebaseerde moleculaire controller ontwikkeld die autonoom de montage en demontage van moleculaire robots aanstuurt. Deze baanbrekende technologie markeert een belangrijke stap in de richting van geavanceerde autonome moleculaire systemen met potentiële toepassingen in de geneeskunde en nanotechnologie.
Details van de doorbraak waren gepubliceerd in het journaal Wetenschappelijke vooruitgang op 31 mei 2024.
“Onze nieuw ontwikkelde moleculaire controller, bestaande uit kunstmatig ontworpen DNA-moleculen en enzymen, bestaat naast moleculaire robots en bestuurt deze door specifieke DNA-moleculen uit te voeren”, zegt Shin-ichiro M. Nomura, universitair hoofddocent aan de Graduate School of Engineering en co-auteur van de studie.
“Hierdoor kunnen de moleculaire robots zichzelf automatisch assembleren en demonteren, zonder de noodzaak van externe manipulatie.”
Een dergelijke autonome werking is een cruciale vooruitgang, omdat het de moleculaire robots in staat stelt taken uit te voeren in omgevingen waar externe signalen niet kunnen komen.
Naast Nomura bestond het onderzoeksteam uit Ibuki Kawamata (een universitair hoofddocent aan de Graduate School of Science van de Universiteit van Kyoto), Kohei Nishiyama (een afgestudeerde student aan de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz) en Akira Kakugo (een professor aan de Graduate School of Science van de Universiteit van Kyoto). ).
Onderzoek naar moleculaire robots, die zijn ontworpen om te helpen bij de behandeling en diagnose van ziekten door zowel binnen als buiten het lichaam te functioneren, krijgt veel aandacht.
Eerder onderzoek door Kakugo en collega’s had moleculaire robots van het zwermtype ontwikkeld die individueel bewegen. Deze robots kunnen door externe manipulatie als groep worden gemonteerd en gedemonteerd. Maar dankzij de geconstrueerde moleculaire controller kunnen de robots zichzelf volgens een geprogrammeerde volgorde assembleren en demonteren.
De moleculaire controller initieert het proces door een specifiek DNA-signaal uit te voeren dat equivalent is aan het commando “assembleren”. De microtubuli in dezelfde oplossing, gemodificeerd met DNA en aangedreven door moleculaire kinesinemotoren, ontvangen het DNA-signaal, stemmen hun bewegingsrichting af en assembleren zich automatisch tot een gebundelde structuur. Vervolgens geeft de controller een “demonteer”-signaal af, waardoor de microtubulibundels automatisch worden gedemonteerd.
Deze dynamische verandering werd bereikt door nauwkeurige controle door het moleculaire circuit, dat functioneert als een zeer geavanceerde signaalprocessor. Bovendien bestaat de moleculaire controller naast moleculaire robots, waardoor de noodzaak voor externe manipulatie wordt geëlimineerd.
Het bevorderen van deze technologie zal naar verwachting bijdragen aan de ontwikkeling van complexere en geavanceerdere autonome moleculaire systemen.
Als gevolg hiervan kunnen moleculaire robots taken uitvoeren die niet alleen kunnen worden uitgevoerd door zich volgens commando’s te verzamelen en zich vervolgens te verspreiden om doelen te verkennen. Bovendien breidde dit onderzoek de activiteitsomstandigheden van moleculaire robots uit door verschillende moleculaire groepen te integreren, zoals het DNA-circuitsysteem en het motoreiwitbesturingssysteem.
![Een schema van de moleculaire controller die signalen uitvoert voor de montage en demontage van moleculaire robots. Krediet: Shin Nomura et al. Zelf-assemblerende en demonterende zwerm-moleculaire robots via DNA-moleculaire controller](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2024/self-assembling-and-di.jpg)
Een schema van de moleculaire controller die signalen uitvoert voor de montage en demontage van moleculaire robots. Krediet: Shin Nomura et al.
“Door de moleculaire controller te ontwikkelen en deze te combineren met steeds geavanceerdere en preciezere DNA-circuits, apparaten voor moleculaire informatieversterking en biomoleculaire ontwerptechnologieën, verwachten we dat moleculaire zwermrobots automatisch een diverser scala aan biomoleculaire informatie zullen verwerken”, voegt Nomura toe.
“Deze vooruitgang kan leiden tot de realisatie van innovatieve technologieën op het gebied van nanotechnologie en de medische wereld, zoals nanomachines voor in-situ moleculaire herkenning en diagnose of slimme medicijnafgiftesystemen.”
Meer informatie:
Ibuki Kawamata et al., Autonome montage en demontage van glijdende moleculaire robots, gereguleerd door een op DNA gebaseerde moleculaire controller, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adn4490
Tijdschriftinformatie:
Wetenschappelijke vooruitgang
Geleverd door Tohoku Universiteit