Die Querschiene des Druckers bewegt sich entlang paralleler Seitenträger grün und überspannt die zentrale Leinwand blau, und die Hülse gelb bewegt sich entlang der Schiene. Benson et al.
DNA kann viel mehr, als genetische Informationen von einer Generation zur nächsten zu übertragen.
Für Forscher, die außerordentlich komplexe Moleküle bauen müssen, stellen die physikalischen Eigenschaften von Desoxyribonukleinsäure eine riesige Chance dar, programmierbare, selbstorganisierende Maschinen herzustellen – in Milliardenhöhe.
„Wir konstruieren Computermodelle, wie das Endprodukt unserer Meinung nach aussehen wird, und dann programmieren wir DNA-Stränge, damit sie sich selbst zusammensetzen“, Biophysiker Erik Benson erzählt IE . „Es ist ziemlich herausfordernd, in der Selbstmontage zu arbeiten, weil man viel Kontrolle hat, aber sehr wenig Kontrolle.“
Wenn sich die Moleküle wie beabsichtigt zusammensetzen, kann der Prozess millionen- oder milliardenfach skaliert werden. Aber wenn nicht, geht es zurück zum Reißbrett.
Nach jahrelanger Forschung und Entwicklung haben Benson und seine Kollegen genau herausgefunden, wie man eine bemerkenswerte Mini-Maschine herstellt. Ihr Drucker ist „in der Lage, einen zentralen Druckkopf in zwei Dimensionen auf einer Oberfläche zu bewegen, und er ist vollständig aus DNA aufgebaut,“, sagt Benson.
Die Forschung ist in a beschrieben Papier veröffentlicht am Mittwoch im Peer-Review-Journal Wissenschaftsrobotik.
DNA ist ein nanoskaliges Baumaterial
„Wir lieben es, mit DNA zu arbeiten“, sagt Benson. „Es ist ein ziemlich einfaches Molekül, nur eine Aneinanderreihung dieser Nukleotide.“
Diese Nukleotide – kleinere Moleküle, die sich zu RNA und DNA verbinden – bestehen aus ein Zuckermolekül entweder Ribose in RNA oder Desoxyribose in DNA, das an eine Phosphatgruppe und eine stickstoffhaltige Base gebunden ist. In DNA sind die Basen Adenin A, Thymin T, Guanin G und Cytosin C in RNA ist Thymin durch Uracil U ersetzt.
Die A- und T-Moleküle werden voneinander angezogen, ebenso die G- und C-Moleküle. In lebenden Organismen, die DNA verwenden, um genetische Informationen zu übermitteln, Nukleotide sind die Grundbausteine dieser Moleküle. Sie werden von der Zelle einzeln zusammengesetzt und durch den Prozess der Replikation bei DNA oder Transkription bei RNA aneinandergereiht.
Die DNA und RNA sind dann wiederum als Anleitung verwendet für den Aufbau von Proteinen und die Lenkung anderer Aktivitäten innerhalb einer Zelle.
Aber diese biologische Funktion ist keine inhärente Eigenschaft der DNA selbst. Ein Gen – eine bestimmte Sequenz von Nukleotiden – kann nur unter sehr genauen Umständen bewirken, dass ein bestimmter biologischer Prozess abläuft. Getrennt von seinem biologischen Unterstützungssystem „ist es nur einMolekül", sagt Benson. "Es ist wie ein Puzzle, das auch magnetisch ist, sodass sich die Teile gegenseitig finden können, wenn Sie es richtig gestalten."
Er sagt, dass der Körper DNA nicht ganz so verwendet, aber es gibt einige Resonanzen zwischen wieDNA funktioniert in ihrer ursprünglichen Umgebung und wie Forscher es im Labor verwenden. „Unser Körper besteht aus all diesen fantastischen Proteinen, die auf ähnliche Weise aufgebaut sind, indem lineare Polymere in kompliziertere Formen gefaltet werden“, sagt er.
Die Idee hinter dem Drucker ist ziemlich einfach
Der in der Veröffentlichung beschriebene Drucker besteht aus etwa 18.000 DNA-Basenpaaren. Die Forscher hatten jedoch kein so ehrgeiziges Ziel. Ihre frühere Arbeit konzentrierte sich auf einen Linearmotor, der zum Antrieb eines Hydraulikarms verwendet werden könnte.
„Wir haben uns wirklich von der Makroskala inspirieren lassen“, sagt er.
Sobald sie herausgefunden hatten, wie man in diesem größeren Maßstab arbeitet, begannen die Forscher mit dem ehrgeizigeren Projekt. Sie erkannten, dass, wenn sie „mehrere Linearmotoren nehmen, sie zusammenstellen und unabhängig voneinander steuern würden, [siekönnte] etwas bauen, das eine komplexe Funktion hat", erklärt Benson. „Wir haben es geschafft, diese Linearmotoren so zu kombinieren, dass sie unabhängig und irgendwie orthogonal zueinander arbeiten können."
Die Maschine ist ziemlich einfach. Ein Druckkopf bewegt sich entlang einer Querstange, die sich entlang zweier senkrechter Schienen bewegt. „Die Kernidee besteht darin, ein zentrales Teil in zwei Dimensionen im Nanomaßstab zu bewegen. Und dann haben wir dem zentralen Teil Funktionalität hinzugefügtum es als Druckkopf fungieren zu lassen, um eine darunter liegende Oberfläche zu strukturieren, alles durch DNA-Interaktionen“, fügt er hinzu.
Herstellung aus DNA ist ein langer Prozess
Während die Produkte, die DNA-basierte Maschinen eines Tages herstellen könnten, komplex sind, sagt Benson, dass DNA selbst ziemlich einfach zu handhaben ist, zumindest im Prinzip.
Wenn ein Wissenschaftler ein bestimmtes Protein benötigen würde, „gibt es wahrscheinlich niemanden auf der Welt, der es für Sie herstellen kann, weil es so kompliziert ist, die Wechselwirkungen zu verstehen“, sagt Benson. „Aber DNA ist so einfach, dass Sie die Formen entwerfen könntenvon Hand."
In der Praxis verwenden sie Software, um ihre DNA-Designs zu skizzieren und zu sehen, wie sie sich in der realen Welt verhalten werden. „Dann können wir im Grunde von Hand abstimmen“, sagt Benson. „Wir sagen, okay, dieser Teil scheint ein bisschenetwas verbogen und dieses Stück scheint ein bisschen lang zu sein. Dann ändern wir das Design, stellen es wieder in die Simulation und sehen, wie es aussieht“, sagt er.
Das Endprodukt ist jedoch kein Bauplan. Es ist „im Grunde eine Liste von DNA-Sequenzen“, sagt Benson. Die meisten davon sind ungefähr 60 Nukleotide lang. Eine komplexe Maschine wie der Drucker besteht aus 600 oder 700 Sequenzen, sagt ersagt.
Ein Lieferant verwandelt die digitale Datei in DNA, die mit jedem Strang in einer eigenen Vertiefung auf einer Platte geliefert wird. Die Forscher mischen sie unter bestimmten Salzbedingungen und bei hohen Temperaturen zusammen.
„Die Hitze bricht alles auf, keine DNA wird hybridisiert“, sagt er. „Man kann sie nicht einfach mischen und bei Raumtemperatur auf eine Werkbank legen, weil man nicht bekommt, was man will … beiBei niedriger Temperatur werden Sequenzen, die Sie als nicht komplementär konzipiert haben, ein wenig komplementär sein. Es wird wahrscheinlich ein Durcheinander sein. "
Nachdem die Stränge bei relativ hohen Temperaturen gemischt wurden, kühlen die Forscher das Gebräu langsam über mehrere Stunden ab. „Wenn Sie sich langsam nach unten bewegen, begünstigen Sie die richtigen Wechselwirkungen der Basenpaarung. Und deshalb funktioniert die Selbstorganisation“, sagt sieBenson.
Für eine komplexe Baugruppe wie den Drucker müssen sich verschiedene Teile separat selbst zusammenbauen. Diese Komponenten werden dann zusammengemischt und können sich selbst zum Endprodukt zusammenfügen.
Dann ist Showtime. „Wir können es in Elektronenmikroskope und hochauflösende Lichtmikroskope einbauen und sehen, dass es funktioniert“, sagt Benson.
Diese Technologie könnte die Fertigung revolutionieren ... aber sie ist noch nicht da
Die Herstellung komplexer Moleküle ist ein großes Geschäft und für die Herstellung von Arzneimitteln und anderen Produkten von entscheidender Bedeutung. Derzeit stützt sich fast die gesamte Herstellung auf das, was Benson „harte Robotik“ nennt.
„Es gibt viele Versuche, Dinge auf elektronische Weise herzustellen, durch Lithographie und sogar durch das Bewegen einzelner Atome mit wirklich schweren Instrumenten. Die Auflösung dort ist ziemlich gut“, sagt er.
„Wir versuchen, eine parallele Schienenfertigung zu entwickeln, die auf Soft-Robotik und eher bioinspirierten Techniken basiert“, sagt er. Benson beschreibt die Arbeit seiner Gruppe als weniger befahrenen Weg. „Daran kann ich nicht wirklich denkenviele Papiere machen Soft-Roboter-Fertigung in diesem Stil … Wir ähneln eher der Funktionsweise des Systems in der Natur, wie die Ribosomen, die komplexe Maschinen irgendwie synthetisieren können“, sagt er.
Im Moment kann Bensons Team nicht mit konventionellen Herstellungsansätzen konkurrieren. „Ich würde nicht sagen, dass wir schon sehr nah dran sind, [Produkte zu haben]“, aber der Ansatz hat einen großen Vorteil.
„Wir haben nicht einen Drucker, der eine Sache macht. Wir streben danach, Milliarden von Kopien von allem, was wir tun, herzustellen“, sagt er.
„Moleküle zu drucken wäre unser Traumziel, wenn die Technologie ein wenig ausgereift ist. Ich könnte mir vorstellen, eine Art Schablone zu haben. Dann würdest du hineingehen und funktionelle Gruppen an verschiedenen Seiten hinzufügen, indem du einen Druckkopf bewegst. Dann natürlich duwürde Millionen oder Milliarden Kopien desselben Moleküls benötigen“, sagt er.
„Das ist meiner Meinung nach die Zukunft der Technologie.“