Imagina un robot que podría ayudarte a ordenar tu casa:deambulando, clasificar los calcetines perdidos en la ropa y los platos sucios en el lavavajillas. Si bien un ayudante tan práctico puede seguir siendo materia de ciencia ficción, Los científicos de Caltech han desarrollado una máquina molecular autónoma que puede realizar tareas similares, a nanoescala. Este "robot, "hecho de una sola hebra de ADN, puede "caminar" autónomamente alrededor de una superficie, recoger ciertas moléculas y depositarlas en lugares designados.

El trabajo se realizó en el laboratorio de Lulu Qian, profesor asistente de bioingeniería. Aparece en un artículo en la edición del 15 de septiembre de Ciencias .

¿Por qué Nanobots?

"Al igual que los robots electromecánicos se envían a lugares lejanos, como Marte, nos gustaría enviar robots moleculares a lugares minúsculos donde los humanos no pueden ir, como el torrente sanguíneo, ", dice Qian." Nuestro objetivo era diseñar y construir un robot molecular que pudiera realizar una tarea nanomecánica sofisticada:clasificación de carga ".

Cómo construir un robot molecular

Dirigido por la ex estudiante de posgrado Anupama Thubagere (PhD '17), los investigadores construyeron tres bloques de construcción básicos que podrían usarse para ensamblar un robot de ADN:una "pierna" con dos "pies" para caminar, un "brazo" y una "mano" para recoger la carga, y un segmento que puede reconocer un punto de entrega específico y señalar a la mano que suelte su carga. Cada uno de estos componentes está hecho de unos pocos nucleótidos dentro de una sola hebra de ADN.

En principio, Estos bloques de construcción modulares se pueden ensamblar de muchas formas diferentes para completar diferentes tareas:un robot de ADN con varias manos y brazos, por ejemplo, podría usarse para transportar múltiples moléculas simultáneamente.

En el trabajo descrito en el artículo de Science, el grupo Qian construyó un robot que podía explorar una superficie molecular, recoger dos moléculas diferentes, un tinte amarillo fluorescente y un tinte rosa fluorescente, y luego distribuirlas en dos regiones distintas de la superficie. El uso de moléculas fluorescentes permitió a los investigadores ver si las moléculas terminaban en sus ubicaciones previstas. El robot clasificó con éxito seis moléculas dispersas, tres rosas y tres amarillas, en sus lugares correctos en 24 horas. Agregar más robots a la superficie acortó el tiempo necesario para completar la tarea.

"Aunque demostramos un robot para esta tarea específica, el mismo diseño del sistema se puede generalizar para trabajar con docenas de tipos de cargas en cualquier ubicación inicial arbitraria en la superficie, ", dice Thubagere." También se podrían tener varios 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 sola hebra de ADN está formada por cuatro moléculas diferentes llamadas nucleótidos:abreviado A, GRAMO, C, y T — y dispuestos en una cadena llamada secuencia. Estos nucleótidos se unen en pares específicos:A con T, y G con C. Cuando una sola hebra se encuentra con la denominada hebra complementaria inversa, por ejemplo, CGATT y AATCG:las dos hebras se unen en la clásica forma de doble hélice.

Una sola hebra que contiene los nucleótidos correctos puede obligar a dos hebras parcialmente cerradas a descomprimirse entre sí. Se puede estimar la rapidez con la que ocurre cada evento de descompresión y descompresión y la cantidad de energía que consume para cualquier secuencia de ADN determinada, permitiendo a los investigadores controlar qué tan rápido se mueve el robot y cuánta energía utiliza para realizar una tarea. Adicionalmente, se puede calcular la longitud de una sola hebra o de 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 una cien millonésima parte del tamaño del paso de un humano.

Usando estos principios químicos y físicos, los investigadores pueden diseñar no solo robots, sino también "áreas de juego, "como tableros de clavijas moleculares, para probarlos. En el trabajo actual, el robot de ADN se mueve sobre un tablero de clavijas de 58 nanómetros por 58 nanómetros en el que las clavijas están hechas de hebras simples de ADN complementarias a la pierna y el pie del robot. El robot se ata 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 se libera el otro pie. This process continues with the robot moving in a random direction at each step.

It may take a day for a robot to explore the entire board. Por el camino, as the robot encounters cargo molecules tethered to pegs, it grabs them with its "hand" components and carries them around until it detects the signal of the drop-off point. El proceso es lento but it allows for a very simple robot design that utilizes very little chemical energy.

Futuristic Applications

"We don't develop DNA robots for any specific applications. Our lab focuses on discovering the engineering principles that enable the development of general-purpose DNA robots, " says Qian. "However, it is my hope that other researchers could use these principles for exciting applications, such as using a DNA robot for synthesizing a therapeutic chemical from its constituent parts in an artificial molecular factory, delivering a drug only when a specific signal is given in bloodstreams or cells, or sorting molecular components in trash for recycling."