Para ilmuwan membuka jalan bagi 'bot nano' untuk suatu hari mendiagnosis dan mengobati penyakit – Sains Terkini

Melalui teknik yang dikenal sebagai origami DNA, para ilmuwan telah menciptakan motor nano DNA tercepat dan paling persisten. Angewandte Chemie menerbitkan temuan, yang menyediakan cetak biru untuk cara mengoptimalkan desain motor di skala nano – ratusan kali lebih kecil dari sel manusia pada umumnya.

"Motor skala nano memiliki potensi luar biasa untuk aplikasi dalam biosensing, dalam membangun sel-sel sintetis dan juga untuk robotika molekuler," kata Khalid Salaita, seorang penulis senior makalah dan seorang profesor kimia di Emory University. "Origami DNA memungkinkan kita untuk mengotak-atik struktur motor dan mencari tahu parameter desain yang mengontrol sifat-sifatnya."

Motor DNA baru berbentuk batang dan menggunakan bahan bakar RNA untuk terus berputar dalam garis lurus, tanpa campur tangan manusia, dengan kecepatan hingga 100 nanometer per menit. Itu hingga 10 kali lebih cepat dari motor DNA sebelumnya.

Salaita juga di fakultas Wallace H. Coulter Departemen Teknik Biomedis, program bersama Institut Teknologi dan Emory Georgia. Makalah ini merupakan kolaborasi antara laboratorium Salaita dan Yonggang Ke, asisten profesor di Sekolah Kedokteran Emory dan Departemen Teknik Biomedis Wallace H. Coulter.

"Motor DNA rekayasa kami cepat," kata Ke, "tapi kami masih memiliki jalan panjang untuk mencapai fleksibilitas dan efisiensi motor biologis alam. Pada akhirnya, tujuannya adalah membuat motor buatan yang sesuai dengan kecanggihan dan fungsi protein. yang memindahkan muatan di dalam sel dan memungkinkan mereka untuk melakukan berbagai fungsi. "

Membuat sesuatu dari DNA, dijuluki origami DNA setelah kerajinan melipat kertas tradisional Jepang, mengambil keuntungan dari afinitas alami untuk basis DNA A, G, C dan T untuk berpasangan satu sama lain. Dengan bergerak di sekitar urutan huruf pada untaian, peneliti dapat membuat untaian DNA mengikat bersama dengan cara yang menciptakan bentuk yang berbeda. Kekakuan DNA origami juga dapat dengan mudah disesuaikan, sehingga mereka tetap lurus seperti sepotong spageti kering atau bengkok dan gulungan seperti spaghetti rebus.

Tumbuh kekuatan komputasi, dan penggunaan perakitan DNA untuk industri genomik, telah sangat memajukan bidang origami DNA dalam beberapa dekade terakhir. Penggunaan potensial untuk motor DNA termasuk perangkat pengiriman obat dalam bentuk nanokapsul yang terbuka ketika mereka mencapai situs target, nanokomputer dan nanorobot yang bekerja pada jalur perakitan skala nano.

"Aplikasi ini mungkin tampak seperti fiksi ilmiah sekarang, tetapi pekerjaan kami membantu memindahkan mereka lebih dekat dengan kenyataan," kata Alisina Bazrafshan, seorang kandidat Emory PhD dan penulis pertama makalah baru.

Salah satu tantangan terbesar dari motor DNA adalah kenyataan bahwa aturan yang mengatur gerak pada skala nano berbeda dari yang ada pada objek yang dapat dilihat manusia. Perangkat skala molekul harus berjuang melalui serangkaian rentetan molekul yang konstan. Kekuatan-kekuatan ini dapat menyebabkan perangkat sekecil itu melayang secara acak seperti butiran serbuk sari mengambang di permukaan sungai, sebuah fenomena yang dikenal sebagai gerakan Brown.

Viskositas cairan juga membuat dampak yang jauh lebih besar pada sesuatu yang sekecil molekul, sehingga air menjadi lebih seperti molase.

Banyak motor DNA sebelumnya "berjalan" dengan gerakan mekanis kaki-ke-kaki. Masalahnya adalah bahwa versi berkaki dua cenderung tidak stabil secara inheren. Motor berjalan dengan lebih dari dua kaki mendapatkan stabilitas tetapi kaki ekstra memperlambatnya.

Para peneliti Emory memecahkan masalah ini dengan merancang motor DNA berbentuk batang yang berputar. Batang, atau "sasis" motor terdiri dari 16 untai DNA yang diikat menjadi satu dalam tumpukan empat-empat untuk membentuk balok dengan empat sisi datar. Tiga puluh enam bit DNA menonjol dari setiap permukaan batang, seperti kaki kecil.

Untuk memicu gerakannya, motor ditempatkan pada lintasan RNA, asam nukleat dengan pasangan basa yang saling melengkapi pasangan basa DNA. RNA menarik kaki DNA pada satu sisi motor dan mengikatnya ke lintasan. Enzim yang hanya menargetkan RNA yang terikat pada DNA kemudian dengan cepat menghancurkan RNA yang terikat. Itu menyebabkan motor menggelinding, saat kaki DNA pada wajah motor berikutnya ditarik ke depan oleh ketertarikan mereka pada RNA.

Motor DNA bergulir membentuk jalur persisten, sehingga terus bergerak dalam garis lurus, berlawanan dengan gerakan yang lebih acak dari motor DNA berjalan. Gerakan memutar juga menambah kecepatan motor DNA baru: Ia dapat menempuh panjang sel induk manusia dalam dua atau tiga jam. Motor DNA sebelumnya akan membutuhkan sekitar satu hari untuk menempuh jarak yang sama, dan sebagian besar kekurangan ketekunan untuk mencapai sejauh itu.

Salah satu tantangan terbesar adalah mengukur kecepatan motor di skala nano. Masalah itu diselesaikan dengan menambahkan tag fluorescent di kedua ujung motor DNA dan mengoptimalkan kondisi pencitraan pada mikroskop fluorescent.

Melalui percobaan dan kesalahan, para peneliti menentukan bahwa bentuk batang kaku optimal untuk bergerak dalam garis lurus dan bahwa 36 kaki pada setiap permukaan motor memberikan kepadatan optimal untuk kecepatan.

"Kami menyediakan platform merdu untuk motor origami DNA yang peneliti lain dapat gunakan untuk merancang, menguji dan mengoptimalkan motor untuk lebih memajukan lapangan," kata Bazrafshan. "Sistem kami memungkinkan Anda untuk menguji efek dari semua jenis variabel, seperti bentuk dan kekakuan sasis dan jumlah dan kepadatan kaki untuk menyempurnakan desain Anda."

Misalnya, variabel apa yang akan memunculkan motor DNA yang bergerak dalam lingkaran? Atau motor yang berputar untuk melewati penghalang? Atau yang berubah sebagai respons terhadap target tertentu?

"Kami berharap peneliti lain akan menghasilkan desain kreatif lain berdasarkan temuan ini," kata Bazrafshan.

You may also like...

Leave a Reply

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.