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I robot molecolari forma-mobili programmabili rispondono ai segnali del DNA

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I ricercatori giapponesi hanno sviluppato un robot molecolare forma-cambiante del tipo di ameba — montato dalle biomolecole quali DNA, proteine ed i lipidi — quello ha potuto fungere da robot programmabile e controllabile per il trattamento delle cellule di cultura in tensione o il controllo dell'inquinamento ambientale, per esempio.

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Ciò la prima volta un sistema robot molecolare può riconoscere i segnali e controllare la sua funzione forma-cambiante ed i loro robot molecolari potrebbero nell'immediato futuro funzionare in un modo simile agli organismi viventi, secondo i ricercatori.

Sviluppato da un gruppo di ricerca all'università ed al Giappone di Tohoku ha avanzato l'istituto di scienza e tecnologia, il robot molecolare integra le macchine molecolari all'interno di una membrana cellulare artificiale ed è circa un micrometro di diametro — simile nella dimensione alle cellule umane. Può iniziare e fermare la sua funzione forma-cambiante in risposta ad un segnale specifico del DNA.

Rappresentazione schematica del robot molecolare. (A) in risposta ad un segnale in start-stop del DNA, gli azionatori molecolari (microtubuli) dentro il robot cambiano la forma della membrana cellulare artificiale (liposoma), controllata tramite «una frizione molecolare» che trasmette la forza dall'azionatore (le proteine di kinesin, indicate nel verde, montano il DNA alla membrana cellulare una volta attivate). (B) immagini di microscopia dei robot molecolari. Quando il segnale del DNA dell'input è «fermata,» la frizione è spenta «,» disattivando il comportamento forma-cambiante. Il forma-cambiamento è attivato quando la frizione è accesa «.» Barra della scala: μm 20. La freccia bianca indica la parte molecolare dell'azionatore che trasforma la forma della membrana. (credito: Yusuke Sato)

La forza del movimento è generata dagli azionatori molecolari (microtubuli) controllati tramite una frizione molecolare (composta di DNA e di kinesin — «un camminatore» che porta le molecole lungo i microtubuli nel corpo). La forma del corpo del robot (membrana cellulare artificiale, o del liposoma — una vescicola fatta da un doppio strato lipidico) è cambiata (da elettricità statica ad attivo) dall'azionatore, avviato dai segnali specifici del DNA attivati dall'irradiazione uv.

Proteina del motore di Kinesin «che cammina» lungo il filamento del microtubulo (credito: Jzp706/CC)

La realizzazione di un robot molecolare di cui le componenti sono progettate ad un livello molecolare e quella può funzionare in un piccolo ed ambiente complicato, quale il corpo umano, si pensa che significativamente ampli le possibilità di ingegneria di robotica, secondo il researchers.*

«Con più di 20 prodotti chimici alle concentrazioni varianti, ci ha preso un anno e mezzo per stabilire le buone condizioni per il lavoro dei nostri robot molecolari,» dice il professore associato Shin-ichiro Nomura alla scuola post-laurea dell'università di Tohoku di ingegneria, che ha condotto lo studio. «Era emozionante vedere il moto forma-cambiante del robot tramite il microscopio. Ha significato che la nostra frizione progettata del DNA ha funzionato perfettamente, malgrado i termini complessi dentro il robot.»

Programmabile dai dispositivi di calcolo del DNA

I risultati della ricerca sono stati pubblicati in una carta di aperto Access in robotica di scienza il 1° marzo 2017.

Gli autori dicono che «combinare altri dispositivi molecolari condurrebbe alla realizzazione di un robot molecolare con le funzioni avanzate. Per esempio, i nanopores artificiali, quale un canale artificiale composto di DNA, hanno potuto essere utilizzati alle molecole del segnale di lettura negli ambienti circostanti attraverso il canale.

«Inoltre, il comportamento di un robot molecolare ha potuto essere programmato dai dispositivi di calcolo del DNA, come giudizio dello stato degli ambienti. Queste implementazioni potrebbero tenere conto lo sviluppo dei robot molecolari capaci di chemiotassi [movimento in una direzione che corrisponde ad una pendenza di concentrazione aumentante o diminuente di sostanza particolare], [simile a] dei globuli bianchi e di là.»

La ricerca è stata sostenuta dal JSPS KAKENHI, AMED-CREST ed università-DIARE di Tohoku.

* nella progettazione corrente, «ci sono ancora limitazioni nelle funzioni del robot. Per esempio, la commutazione del comportamento del robot non è reversibile. Il cambiamento di forma non è direzionale e finora non possibile per le mansioni complesse, per esempio, locomozione. Tuttavia, al meglio della nostra conoscenza, questa è la prima implementazione di un robot molecolare che può controllare il suo comportamento forma-cambiante in risposta alle molecole specifiche del segnale.» — Yusuke Sato et al./robotica di scienza

L'estratto del robot molecolare Micrometro di taglia cambia la sua forma in risposta alle molecole del segnale

Il progresso rapido in bioingegneria del nanoscale ha tenuto conto la progettazione dei dispositivi biomolecolari che fungono da sensori, azionatori e perfino circuiti logici. La realizzazione dei robot micrometro di taglia montati da queste componenti è uno degli scopi finali di robotica bioinspired. Abbiamo costruito un robot molecolare del tipo di ameba che può esprimere il cambiamento continuo di forma in risposta alle molecole specifiche del segnale. Il robot è composto di corpo, di azionatore e di dispositivo dicontrollo (frizione). Il corpo è una vescicola fatta da un doppio strato lipidico e l'azionatore consiste delle proteine, del kinesin e dei microtubuli. Abbiamo fatto la frizione facendo uso delle molecole progettate del DNA. Trasmette la forza generata dal motore alla membrana, in risposta ad una molecola del segnale composta di altro DNA sequenza-progettato con le modifiche chimiche. Quando la frizione è stata impegnata, il robot ha esibito il cambiamento continuo di forma. Dopo che il robot è stato illuminato con luce per avviare il rilascio della molecola del segnale, la frizione è stata disinnestata e conseguentemente, il comportamento forma-cambiante è stato terminato con successo. Inoltre, l'inverso processo-che è, inizio del cambiamento di forma da input della a segnale-inoltre è stato dimostrato. Questi risultati indicano che le componenti del robot sono state integrate coerente in un sistema funzionale. Prevediamo che questo studio possa fornire una piattaforma per sviluppare i sistemi molecolari sempre più complessi e funzionali con motilità controllabile.