ราวกับว่าพิมพ์เขียวเพื่อชีวิตไม่ว่างพอนักวิจัยนาโนเทคกำลังทำให้ DNA ทำงานในอุปกรณ์เครื่องจักรกลเล็ก ๆ และเป็นเทมเพลตสำหรับวงจรอิเล็กทรอนิกส์
การก่อสร้างดีเอ็นเอล่าสุดรวมถึงรูปแบบกล้องจุลทรรศน์เกียร์เล็ก ๆ และสายประกอบโมเลกุล แม้ว่าส่วนใหญ่จะยังอยู่ในระดับการสาธิตดีเอ็นเอนาโนเทคเป็นสนามที่เติบโตอย่างรวดเร็ว
คนแรกที่เห็นศักยภาพของดีเอ็นเอเกินกว่าชีววิทยาคือ Naiman Seeman นักเคมีที่มหาวิทยาลัยนิวยอร์ก กว่ายี่สิบปีที่ผ่านมาเขาเริ่มจินตนาการว่าข้อมูลทางพันธุกรรมใน DNA อาจได้รับการออกแบบมาเพื่อทำงานที่มีประโยชน์อย่างไร
"โครงสร้างดีเอ็นเอสามารถตั้งโปรแกรมได้ตามลำดับและการโต้ตอบระหว่างโมเลกุลของพวกเขาเช่นกัน" Seeman กล่าว "นั่นทำให้พวกเขาไม่เหมือนใคร"
ในขณะที่ธรรมชาติเพียงอย่างเดียวกำหนดว่าโมเลกุลส่วนใหญ่มีปฏิสัมพันธ์กันอย่างไร DNA มาพร้อมกับรหัสในตัวที่นักวิจัยสามารถสร้างใหม่เพื่อควบคุมว่าโมเลกุล DNA เชื่อมโยงกัน เป้าหมายของการซ่อมแซม DNA นี้คือโรงงานขนาดเล็กที่สามารถผลิตโมเลกุลที่ทำตามสั่งได้เช่นเดียวกับส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่เล็กกว่าขีด จำกัด ปัจจุบัน 10 เท่า
"การทำนาโนฟ่าLiveScience- "มันจะเกิดขึ้นเร็ว ๆ นี้"
กาวอัจฉริยะ
เส้นเดี่ยวของ DNA นั้นเป็นลำดับที่ยาวนานซึ่งประกอบด้วยฐานเคมี adenine (A), thymine (T), cytosine (C) และ guanine (G) ทุกสิ่งมีชีวิตมีรหัสพันธุกรรมที่เป็นเอกลักษณ์ในเซลล์ที่เขียนไว้ใน "ตัวอักษร" เหล่านี้
DNA สองเส้นสามารถหลอมรวมเข้าด้วยกันและสร้างเกลียวคู่ที่มีชื่อเสียงซึ่งค้นพบโดย Crick และ Watson ในปี 1953 แต่การจัดเรียงบันไดที่บิดเบี้ยวนี้สามารถเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อฐานทั้งหมดของทั้งสองเข้ากัน
นักวิทยาศาสตร์ใช้กาวแบบเลือกนี้เพื่อสร้างและควบคุมเครื่อง DNA-
“ พันธบัตรเป็นเหมือนกาวอัจฉริยะที่รู้ว่าชิ้นส่วนใดไปด้วยกัน” โทมัส Labean จากมหาวิทยาลัยดุ๊กอธิบาย
Labean และคนอื่น ๆ มักเริ่มต้นด้วยการออกแบบโครงสร้างที่มี DNA หลายชิ้น โปรแกรมคอมพิวเตอร์เขียนรหัสสำหรับเส้นต่าง ๆ ซึ่งจะถูกสังเคราะห์โดยใช้วิธีการทางชีวภาพมาตรฐาน ผสมเข้าด้วยกันในสารละลายน้ำชิ้นส่วนที่มีรหัสการจับคู่จะเชื่อมโยงกับรูปแบบหลายชุดของโครงสร้างที่ต้องการ
มันเหมือนชุดรุ่นเครื่องบินยกเว้นสิ่งที่คุณต้องทำคือเขย่ากล่องและชิ้นส่วนเล็ก ๆ ทั้งหมดจะพบกันโดยอัตโนมัติและกาวเข้าด้วยกัน
ชิ้นปริศนา
DNA ในธรรมชาติมักจะเป็นโซ่ต่อเนื่องยาวเพียงหนึ่งเดียว แต่นักวิจัยต้องการมีรูปร่างอื่น ๆ ในการกำจัดของพวกเขา
กว่าสามทศวรรษที่ผ่านมานักชีววิทยาค้นพบว่าเซลล์สร้างโมเลกุลดีเอ็นเอที่มีรูปข้ามระหว่างการจำลองแบบและการซ่อมแซม แขนข้างหรือกิ่งไม้เติบโตจากรหัสทางพันธุกรรมที่ตัวอักษรอ่านไปข้างหน้าและย้อนหลังเหมือนกันเช่น palindromes "racecar" และ "rotator"
Seeman และคนอื่น ๆ ได้ปรับเปลี่ยนลำดับของ DNA palindromic เพื่อสร้างโมเลกุล 4 อาวุธที่เสถียร พวกเขายังได้เกลี้ยกล่อม DNA ไปยังสาขาด้วยแขน 3, 5 และ 6
ตัวเลขแท่งสองมิติเหล่านี้มีเพียงไม่กี่นาโนเมตรข้ามซึ่งนาโนเมตรเป็นหนึ่งพันล้านเมตร นักวิจัยออกแบบพวกเขาด้วย "sticky end" - strands dna ที่ทำหน้าที่เป็นสลักระหว่างโมเลกุล อาร์เรย์ทั้งหมดของตัวเลขการเชื่อมต่อเหล่านี้สามารถรวมเข้าด้วยกันเหมือนชิ้นส่วนในปริศนา
เมื่อต้นปีที่ผ่านมา LaBean และผู้ทำงานร่วมกันของเขาได้สร้างโปรตีน 4x4 ด้วยชิ้นดีเอ็นเอรูปกากบาท 16 ชิ้น ด้วยการแนบโปรตีนชนิดหนึ่งกับ "พิกเซล" ที่เฉพาะเจาะจงบนกริดเหล่านี้ทีมสะกดคำว่า "DNA"
ความสามารถในการแนบอนุภาคกับชิ้นส่วนดีเอ็นเอเป็นขั้นตอนสู่การประดิษฐ์นาโนอิเล็กทรอนิกส์ นักวิทยาศาสตร์สามารถผูกมัดวัสดุที่ใช้งานได้เช่นโลหะเซมิคอนดักเตอร์และฉนวนกับโมเลกุล DNA เฉพาะซึ่งสามารถบรรทุกสินค้าของพวกเขาไปยังตำแหน่งที่ระบุไว้ล่วงหน้า แล้วเทคนิคนี้ได้ถูกนำมาใช้เพื่อสร้างทรานซิสเตอร์อย่างง่ายรวมถึงสายโลหะ
อย่างไรก็ตามมีปัญหาในการสร้างส่วนประกอบที่ซับซ้อนมากขึ้น เพื่อรักษาความเสถียรของดีเอ็นเอที่มีประจุลบนักวิจัยจะเพิ่มไอออนในเชิงบวกให้กับโซลูชั่นของพวกเขา แต่ไอออนเหล่านี้สามารถรบกวนวัสดุการทำงานที่จำเป็นในการสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
“ เป็นการยากที่จะทำให้ทุกสิ่งเหล่านี้มีความสุขในเวลาเดียวกัน” Labean กล่าว
วิธีแก้ปัญหาอาจใช้โมเลกุลเหมือนดีเอ็นเอที่ไม่มีประจุและยังมีรหัสเดียวกับ DNA มี "รสชาติ" ของอนุพันธ์ดีเอ็นเอประมาณ 1,000 รายการ Seeman กล่าวดังนั้นหนึ่งในนั้นอาจทำเคล็ดลับได้
ปัญหาคือทางเลือกเหล่านี้อาจมีราคาแพงกว่า DNA ปกติ 10 เท่าตาม Labean อย่างไรก็ตามมันอาจจะคุ้มค่าเนื่องจากเทคนิคการผลิตชิปคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันไม่สามารถเล็กกว่านาโนเมตรได้หลายสิบ
อาร์เรย์ที่ประกอบตัวเองของโมเลกุลเหมือนดีเอ็นเอสามารถไปได้เกินกว่าข้อ จำกัด นี้โดยการจัดหาโครงสำหรับวงจรระดับนาโนเมตร สิ่งนี้ไม่เพียง แต่ทำให้คอมพิวเตอร์ของเราและอุปกรณ์อื่น ๆ มีขนาดกะทัดรัดมากขึ้นเท่านั้น แต่ยังเร็วขึ้นเช่นกัน
หุ่นยนต์นาโน
นอกเหนือจากการควบคุมรูปร่างของชุดประกอบ DNA แล้วนักวิจัยยังสามารถใช้สิ่งที่แนบมา DNA เฉพาะเพื่อย้ายโมเลกุล DNA อื่น ๆ
หนึ่งในการสาธิตครั้งแรกของเรื่องนี้เกิดขึ้นในปี 2000 เมื่อกลุ่มจาก Lucent Technologies ในรัฐนิวเจอร์ซีย์ประดิษฐ์โมเลกุลดีเอ็นเอรูปตัววีสั้นที่ทำหน้าที่เหมือนแหนบโมเลกุล
การวางสำเนาโมเลกุลของพวกเขาหลายชุดในการแก้ปัญหานักวิจัยสามารถจับแหนบได้โดยการผสมในโมเลกุล DNA อื่นที่เรียกว่า เพื่อเปิดแหนบอีกครั้งทีมวิทยาศาสตร์ได้เพิ่ม "unset strand" ซึ่งเชื่อมโยงไปยัง Strand ที่ตั้งไว้และดึงมันออกจากแหนบ
ด้วยการเคลื่อนไหวที่มีการเตรียมการในทำนองเดียวกัน Seeman และเพื่อนร่วมงานของเขาในปี 2004 ได้สร้างโมเลกุล DNA สองขาที่สามารถเดินได้ เท้าถูกทอดทิ้งกับพื้น DNA ที่ติดอยู่กับเส้น biped เล็ก ๆ ใช้เวลาหนึ่งขั้นตอนเมื่อใดก็ตามที่กลุ่มแนะนำ unset strands ที่ปลดปล่อยขาทีละขา
สายการประกอบ
เมื่อไม่นานมานี้ Seeman และเพื่อนร่วมงานได้ทำให้ DNA Robots ทำงานโดยรวมเข้ากับอาร์เรย์ประกอบตัวเอง อุปกรณ์คอมโพสิตจับโซ่โมเลกุลต่าง ๆ หรือ "โพลีเมอร์" จากสารละลายและหลอมรวมเข้าด้วยกัน โดยการควบคุมตำแหน่งของบ็อตนาโนนักวิจัยสามารถระบุการจัดเรียงของพอลิเมอร์สำเร็จรูป
Seeman หวังว่าสายการประกอบเล็ก ๆ นี้สามารถขยายไปสู่โรงงานนาโนที่จะสังเคราะห์โพลีเมอร์ทั้งคู่ในแบบคู่ขนาน ความท้าทายที่สำคัญในขณะนี้คือการเริ่มจาก 2D อาร์เรย์เป็นโครงสร้าง 3 มิติ มิติพิเศษจะช่วยให้การผลิตโมเลกุลที่ซับซ้อนมากขึ้นเช่นเดียวกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่หนาแน่นขึ้น
ในอนาคตแพทย์อาจฉีดเครื่องจักร DNA อัตโนมัติเหล่านี้เข้าสู่ร่างกายไม่ว่าจะเป็นเซ็นเซอร์ชีวภาพหรือระบบส่งยาที่สามารถกำหนดเป้าหมายไซต์เฉพาะเช่นเนื้องอกหรือก้อนเลือด LaBean กล่าว
แม้ว่าแอปพลิเคชั่นเหล่านี้บางส่วนอาจจะอยู่บนถนนหลายปี แต่ความคืบหน้าใน DNA nanotech "ได้เร็วขึ้นมากในขณะนี้มี 20 กลุ่มหรือมากกว่านั้นที่ทำมันมากกว่าแค่ฉันเอง" Seeman กล่าว
