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Les robots moléculaires forme-changeants programmables répondent aux signaux d'ADN

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Les chercheurs japonais ont développé un robot moléculaire forme-changeant comme une amibe — réuni à partir des biomolécules tels que l'ADN, les protéines, et les lipides — cela a pu agir en tant que robot programmable et contrôlable pour traiter les cellules de cultivation vivantes ou surveillance de la pollution environnementale, par exemple.

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Ceci la première fois qu'un système robotique moléculaire peut identifier des signaux et commander sa fonction forme-changeante, et leurs robots moléculaires pourraient dans un avenir proche fonctionner d'une manière semblable aux organismes vivants, selon les chercheurs.

Développé par un groupe de recherche chez l'université et le Japon de Tohoku a avancé l'institut de la science et technologie, le robot moléculaire intègre les machines moléculaires dans une membrane cellulaire artificielle et est environ un micromètre de diamètre — semblable dans la taille aux cellules humaines. Il peut commencer et arrêter sa fonction forme-changeante en réponse à un signal spécifique d'ADN.

Schéma de principe du robot moléculaire. (a) en réponse à un signal arrêt/marche d'ADN, les déclencheurs moléculaires (microtubules) à l'intérieur du robot changent la forme de la membrane cellulaire artificielle (liposome), commandée par « un embrayage moléculaire » qui transmet la force du déclencheur (les protéines de kinesin, montrées dans le vert, assemblent l'ADN à la membrane cellulaire une fois activées). (b) images de microscopie des robots moléculaires. Quand le signal d'ADN d'entrée est « arrêt, » l'embrayage est arrêté « , » mettant le comportement hors tension forme-changeant. Le forme-changement est activé quand le l'embrayage est mis « EN MARCHE. » Barre d'échelle : μm 20. La flèche blanche indique la pièce moléculaire de déclencheur qui transforme la forme de la membrane. (crédit : Yusuke Sato)

La force de mouvement est produite par les déclencheurs moléculaires (les microtubules) commandés par un embrayage moléculaire (composé d'ADN et de kinesin — un « marcheur » qui porte des molécules le long des microtubules dans le corps). La forme du corps du robot (membrane cellulaire artificielle, ou de la liposome — une vésicule faite à partir d'un bilayer de lipide) est changée (de la charge statique à actif) par le déclencheur, déclenché par les signaux spécifiques d'ADN activés par l'irradiation uv.

Protéine de moteur de Kinesin « marchant » le long du filament de microtubule (crédit : Jzp706/CC)

On s'attend à ce que la réalisation d'un robot moléculaire dont les composants sont conçus à un niveau moléculaire et cela peut fonctionner dans un petit et environnement compliqué, tel que le corps humain, augmente de manière significative les possibilités d'ingénierie de robotique, selon le researchers.*

« Avec plus de 20 produits chimiques aux concentrations variables, cela nous a pris une année et demie pour établir des bonnes conditions pour travailler nos robots moléculaires, » dit le professeur agrégé Shin-ichiro Nomura au troisième cycle d'université d'université de Tohoku de l'ingénierie, qui a mené l'étude. « Il était passionnant pour voir le mouvement forme-changeant de robot par le microscope. Il a signifié que notre embrayage conçu d'ADN a fonctionné parfaitement, en dépit des conditions complexes à l'intérieur du robot. »

Programmable par les dispositifs de calcul d'ADN

Les résultats de la recherche ont été édités dans un papier d'ouvert-Access en robotique de la Science le 1er mars 2017.

Les auteurs disent que la « combinaison d'autres dispositifs moléculaires mènerait à la réalisation d'un robot moléculaire avec des fonctions évoluées. Par exemple, des nanopores artificiels, tels qu'un canal artificiel composé d'ADN, ont pu être employés aux molécules de signal de sens dans les environnements environnants par le canal.

« En outre, le comportement d'un robot moléculaire a pu être programmé par les dispositifs de calcul d'ADN, tels que juger l'état des environnements. Ces réalisations pourraient tenir compte du développement des robots moléculaires capables du chimiotactisme [mouvement dans une direction correspondant à un gradient de l'augmentation ou à la concentration décroissante d'une substance particulière], [semblable à] des globules blancs, et au-delà. »

La recherche a été soutenue par le JSPS KAKENHI, AMED-CREST et université-DIARE de Tohoku.

* dans la conception actuelle, « il restent des limitations dans les fonctions du robot. Par exemple, la commutation du comportement de robot n'est pas réversible. Le changement de forme n'est pas directionnel et jusqu'à présent non possible aux tâches complexes, par exemple, locomotion. Cependant, au meilleur de notre connaissance, c'est la première exécution d'un robot moléculaire qui peut commander son comportement forme-changeant en réponse aux molécules spécifiques de signal. » — Yusuke Sato et autres/robotique de la Science

Le résumé du robot moléculaire de taille d'un micromètre change sa forme en réponse aux molécules de signal

Le progrès rapide en bio-ingénierie de nanoscale a tenu compte de la conception des dispositifs biomoléculaires qui agissent en tant que capteurs, déclencheurs, et même circuits logiques. La réalisation des robots de taille d'un micromètre assemblés à partir de ces composants est l'un des objectifs ultimes de la robotique bioinspired. Nous avons construit un robot moléculaire comme une amibe qui peut exprimer le changement continu de forme en réponse aux molécules spécifiques de signal. Le robot se compose de corps, de déclencheur, et de dispositif de déclencheur-contrôle (embrayage). Le corps est une vésicule faite à partir d'un bilayer de lipide, et le déclencheur se compose des protéines, du kinesin, et des microtubules. Nous avons fait l'embrayage utilisant les molécules conçues d'ADN. Elle transmet la force produite par le moteur à la membrane, en réponse à une molécule de signal composée d'une autre ADN ordre-conçue avec des modifications chimiques. Quand l'embrayage a été engagé, le robot a montré le changement continu de forme. Après que le robot ait été illuminé avec la lumière pour déclencher la libération de la molécule de signal, l'embrayage a été désengagé, et par conséquent, le comportement forme-changeant a été avec succès terminé. En outre, l'inverse processus-qu'est, initiation de changement de forme par l'entrée d'a signal-a été également démontré. Ces résultats prouvent que les composants du robot ont été uniformément intégrés dans un système fonctionnel. Nous comptons que cette étude peut fournir une plate-forme pour établir les systèmes moléculaires de plus en plus complexes et fonctionnels avec la motilité contrôlable.