Nano robots para tareas nano mecánicas... nanoincreible

Nanobot de ADN creado que realiza tareas nanomecanicas Por Brian Wang para Next Big Future | 16 de septiembre de 2017 Desde la década de 1980, el diseño y la síntesis de máquinas moleculares ha sido identificado como un gran reto para la ingeniería molecular. Los robots son un tipo importante de máquina molecular que realiza automáticamente complejas tareas nanomecánicas. Las moléculas de ADN son excelentes materiales para construir robots moleculares, porque sus propiedades geométricas, termodinámicas y cinéticas son bien conocidas y altamente programables. Hasta ahora, el desarrollo de robots de ADN se ha limitado a funciones simples. La mayoría de los robots de ADN fueron diseñados para realizar una sola función: caminar en una dirección controlada. Algunas demostraciones incluyeron una segunda función combinada con caminar (por ejemplo, recoger nanopartículas o elegir un camino en un cruce). Sin embargo, estas funciones relativamente más complejas fueron también más difíciles de controlar, y la complejidad de las tareas se limitó a lo que el robot puede realizar en 3 a 12 pasos. Además, cada diseño de robot fue adaptado para una tarea específica, complicando los esfuerzos para desarrollar nuevos robots que realizan nuevas tareas combinando funciones y mecanismos. Los científicos de Caltech han desarrollado una máquina molecular autónoma que puede realizar tareas similares a escala nanométrica. Este "robot", hecho de una sola hebra de ADN, puede "caminar" autónomamente alrededor de una superficie, recoger ciertas moléculas y dejarlas en lugares designados. Cómo construir un robot molecular Los investigadores construyeron tres bloques de construcción básicos que podrían usarse para montar un robot de ADN: una "pierna" con dos "pies" para caminar, un "brazo" y una "mano" para recoger carga, y un segmento que puede reconocer un punto de bajada específico y señalar a la mano para liberar su carga. Cada uno de estos componentes está hecho de sólo unos pocos nucleótidos dentro de una sola cadena de ADN. En principio, estos bloques de construcción modulares se podían ensamblar de muchas maneras diferentes para completar diferentes tareas -un robot de ADN con varias manos y brazos, por ejemplo, podría utilizarse para transportar múltiples moléculas simultáneamente. En el trabajo descrito en el artículo de la Ciencia, el grupo Qian construyó un robot que podría explorar una superficie molecular, recoger dos moléculas diferentes -un colorante amarillo fluorescente y un colorante rosa fluorescente- y luego distribuirlas en dos regiones distintas en la superficie. El uso de moléculas fluorescentes permitió a los investigadores para ver si las moléculas terminaron en sus lugares previstos. El robot ordenó con éxito seis moléculas dispersas, tres rosas y tres amarillas, en sus lugares correctos en 24 horas. La adición de más robots a la superficie acortó el tiempo que tomó para completar la tarea. "Aunque hemos demostrado un robot para esta tarea específica, el mismo diseño del sistema se puede generalizar para trabajar con decenas de tipos de cargas en cualquier ubicación inicial arbitraria en la superficie", dice Thubagere. "Uno podría también tener múltiples robots realizando diversas tareas de clasificación en paralelo". Diseño a través del ADN La clave para diseñar máquinas de ADN es el hecho de que el ADN tiene propiedades químicas y físicas únicas que son conocidas y programables. Una única cadena de ADN está formada por cuatro moléculas diferentes llamadas nucleótidos, A, G, C y T, y se organiza en una cadena llamada secuencia. Estos nucleótidos se unen en pares específicos: A con T y G con C. Cuando una cadena única encuentra una cadena complementaria inversa-por ejemplo, CGATT y AATCG-, las dos hebras se unen en la forma clásica de doble hélice. Una única hebra que contiene los nucleótidos derechos puede forzar dos hebras parcialmente cremalladas para descomprimir una de otra. La rapidez con que cada evento de cierre y descompresión ocurre y la cantidad de energía que consume puede estimarse para cualquier secuencia de ADN dada, lo que permite a los investigadores controlar la velocidad con la que se mueve el robot y la cantidad de energía que utiliza para realizar una tarea. Adicionalmente, se puede calcular la longitud de una sola hebra o dos hebras con cremallera. Por lo tanto, la pierna y el pie de un robot de ADN se pueden diseñar para un tamaño de paso deseado, en este caso, 6 nanómetros, que es aproximadamente un centenar de millón de tamaño de un paso humano. Usando estos principios químicos y físicos, los investigadores pueden diseñar no sólo robots sino también "patios de recreo", tales como pegboards moleculares, para probarlos. En el trabajo actual, el robot de ADN se mueve alrededor de un 58-nanometer-por 58-nanometer pegboard en el que las clavijas están hechas de hebras individuales de ADN complementario a la pierna y el pie del robot. El robot se une a una clavija con su pierna y uno de sus pies, el otro pie flota libremente. Cuando las fluctuaciones moleculares aleatorias hacen que este pie libre encuentre una clavija cercana, tira del robot a la nueva clavija y su otro pie se libera. Este proceso continúa con el robot moviéndose en una dirección aleatoria en cada paso. Puede tomar un día para que un robot explore toda la tabla. A lo largo del camino, cuando el robot encuentra moléculas de carga atadas a clavijas, las agarra con sus componentes de "mano" y las lleva hasta que detecta la señal del punto de bajada. El proceso es lento, pero permite un diseño de robot muy simple que utiliza muy poca energía química. Aplicaciones Futuristas "No desarrollamos robots de ADN para aplicaciones específicas. Nuestro laboratorio se centra en descubrir los principios de ingeniería que permiten el desarrollo de robots de ADN de uso general ", dice Qian. "Sin embargo, espero que otros investigadores puedan usar estos principios para aplicaciones emocionantes, como usar un robot de ADN para sintetizar un producto químico terapéutico de sus partes constituyentes en una fábrica molecular artificial, entregando un medicamento sólo cuando se da una señal específica en corrientes sanguíneas o células, o clasificar componentes moleculares en la basura para reciclarlos ". El diseño y síntesis de robots moleculares presenta dos desafíos críticos, los de modularidad y simplicidad de algoritmos, que han sido transformadores en otras áreas de la ingeniería molecular. Por ejemplo, se han utilizado bloques de construcción simples y modulares para ampliar el procesamiento de información molecular con circuitos de ADN. Al igual que en los circuitos de ADN, los simples bloques de construcción de los robots de ADN podrían permitir tareas nanomecánicas más complejas, mientras que la modularidad podría permitir diversas funciones nuevas realizadas por robots utilizando el mismo conjunto de bloques de construcción. Los robots de ADN monocatenarios pueden moverse sobre la superficie de una hoja de origami de ADN y clasificar cargas moleculares. Thubagere et al. desarrolló un algoritmo simple para reconocer dos tipos de cargas moleculares y sus destinos de desembarque en la superficie. El robot de ADN, que tiene tres dominios funcionales modulares, recoge repetidamente los dos tipos de moléculas y luego los coloca en sus destinos de destino. No se requiere energía adicional porque el robot de ADN hace esto caminando al azar a través de la superficie del origami. Ilustración conceptual de dos robots de ADN. Los robots están realizando colectivamente una tarea de clasificación de carga en una superficie de origami de ADN, transportando moléculas fluorescentes con diferentes colores desde ubicaciones inicialmente no ordenadas hasta destinos separados. Se ha tomado una licencia artística considerable. ILUSTRACIÓN: DEMIN LIU (WWW.MOLGRAPHICS.COM) Los investigadores demuestran un robot de ADN que realiza una tarea nanomecánica sustancialmente más sofisticada que el trabajo anterior. Desarrollamos un algoritmo simple y tres bloques de construcción modulares para un robot de ADN que realiza la clasificación de carga autónoma. El robot explora un terreno de prueba bidimensional en la superficie del origami de ADN, recoge cargas múltiples de dos tipos que están inicialmente en lugares no ordenados y entrega cada tipo a un destino específico hasta que todas las moléculas de carga se clasifican en dos pilas distintas. El robot está diseñado para realizar una caminata aleatoria sin ningún tipo de suministro de energía. Aprovechando esta característica, un solo robot puede clasificar varias cargas repetidamente. La localización en el origami de ADN permite realizar distintas tareas de clasificación de carga simultáneamente en un tubo de ensayo o para que múltiples robots realicen colectivamente la misma tarea. En promedio, nuestro robot realizó aproximadamente 300 pasos al clasificar los cargamentos. El número de pasos es de una a dos magnitudes mayores que los robots de ADN demostrados previamente que realizan tareas adicionales mientras caminan. Utilizando exactamente el mismo diseño de robot, el sistema podría generalizarse a múltiples tipos de cargas con distribuciones iniciales arbitrarias ya muchos casos de distintas tareas en paralelo, mientras que a cada tarea se le puede asignar un número distinto de robots dependiendo de la dificultad de la tarea . Utilizando aptámeros, anticuerpos o conjugaciones directas, pequeños productos químicos, nanopartículas metálicas y proteínas podrían transportarse como moléculas de carga, de manera que los robots de ADN de clasificación de carga pudieran tener aplicaciones potenciales en la síntesis química autónoma, en la fabricación de dispositivos moleculares sensibles y en terapias programables . Los bloques de construcción desarrollados en este trabajo también podrían ser utilizados para diversas funciones distintas de la clasificación de carga. Por ejemplo, inspirado en la forraje de hormigas, añadiendo un nuevo bloque de construcción para dejar señales de feromonas en un camino, los robots de ADN podrían programarse para encontrar el camino más corto y transportar eficientemente las moléculas de carga. Con una comunicación sencilla entre los robots, podrían realizar tareas aún más sofisticadas. Con más esfuerzo en el desarrollo de robots moleculares modulares y colectivos, y con enfoques simples y sistemáticos, los robots moleculares podrían eventualmente ser fácilmente programados como robots macroscópicos, pero trabajando en entornos microscópicos. Science - Un robot de ADN de clasificación de carga With a little help from Google Translate for Business