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Molekulare Roboter der programmierbaren Gestaltveränderung reagieren auf DNA-Signale

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Japanische Forscher haben einen Amöbe ähnlichen Form-ändernden molekularen Roboter entwickelt — zusammengebaut von den Biomolekülen wie DNA, Proteinen und Lipiden — das konnte als ein programmierbarer und kontrollierbarer Roboter für die Behandlung von züchtenden Livezellen oder die Überwachung der Umweltverschmutzung auftreten, zum Beispiel.

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Dieses, das erste mal ein molekulares Robotersystem Signale erkennen und seine Form-ändernde Funktion steuern kann und ihre molekularen Roboter konnten auf eine Art in naher Zukunft arbeiten, die lebenden Organismen, nach Ansicht der Forscher ähnlich ist.

Sich entwickelt durch eine Forschungsgruppe bei Tohoku Universität und Japan brachte Institut des Wissenschaft und Technik voran, integriert der molekulare Roboter molekulare Maschinen innerhalb einer künstlichen Zellmembran und ist ungefähr ein Mikrometer im Durchmesser — ähnlich an Größe menschlichen Zellen. Er kann seine Form-ändernde Funktion in Erwiderung auf ein spezifisches DNA-Signal beginnen und stoppen.

Schematisches Diagramm des molekularen Roboters. (a), in Erwiderung auf ein Start-Stopp-DNA-Signal, ändern molekulare Auslöser (Microtubules) innerhalb des Roboters die Form der künstlichen Zellmembran (Liposom), gesteuert durch eine „molekulare Kupplung“ die die Kraft vom Auslöser überträgt (kinesin Proteine, gezeigt im Grün, bauen DNA zur Zellmembran zusammen, wenn sie aktiviert werden). (b), Mikroskopiebilder von molekularen Robotern. Wenn das Input DNA-Signal „Halt ist,“ wird die Kupplung „abgestellt,“ das Form-ändernde Verhalten entaktivierend. Das Form-Ändern ist aktiviert, wenn die Kupplung wird eingeschaltet „.“ Maßstabsbalken: μm 20. Der weiße Pfeil zeigt das molekulare Auslöserteil an, das die Form der Membran umwandelt. (Kredit: Yusuke Sato)

Die Bewegungskraft wird durch die molekularen Auslöser (Microtubules) gesteuert durch eine molekulare Kupplung erzeugt (bestanden aus DNA und kinesin — ein „Wanderer“ der Moleküle entlang Microtubules im Körper trägt). Die Form des Körpers des Roboters (künstliche Zellmembran oder des Liposoms — Bäschen, die von einer Lipiddoppelschicht hergestellt werden), werden (von statischem zu aktivem) durch den Auslöser geändert, ausgelöst durch spezifische DNA-Signale, die durch UV-Bestrahlung aktiviert sind.

„Gehendes“ Kinesin-Motorprotein entlang Microtubulefaden (Kredit: Jzp706/CC)

Die Realisierung eines molekularen Roboters, dessen Komponenten auf einem molekularen Niveau entworfen sind und die in einem kleinen arbeiten kann und schwierige Umwelt, wie der menschliche Körper, wird erwartet, um die Möglichkeiten der Robotiktechnik, entsprechend dem researchers.* erheblich zu erweitern

„Mit mehr als 20 Chemikalien bei unterschiedlichen Konzentrationen, nahm es uns anderthalb Jahre, um gute Bedingungen für das Bearbeiten unserer molekularen Roboter herzustellen,“ sagt außerordentlichen Professor Shin-ichiro Nomura an der Hochschule für Aufbaustudien Tohoku-Universität der Technik, die die Studie führte. „Sie war aufregend, die Form-ändernde Bewegung des Roboters durch das Mikroskop zu sehen. Es bedeutete, dass unsere entworfene DNA-Kupplung funktionierte tadellos, trotz der komplexen Bedingungen innerhalb des Roboters.“

Programmierbar durch Datenverarbeitungsgeräte DNA

Die Forschungsresultate wurden in einem Papier des freien Zugangs in der Wissenschafts-Robotik am 1. März 2017 veröffentlicht.

Die Autoren sagen, dass „die Kombination anderer molekularer Geräte zu die Realisierung eines molekularen Roboters mit erweiterten Funktionen führen würde. Zum Beispiel konnten künstliche nanopores, wie ein künstlicher Kanal, der aus DNA bestand, zu den Richtungssignalmolekülen in der umgebenden Umwelt durch den Kanal benutzt werden.

„Darüber hinaus, konnte das Verhalten eines molekularen Roboters durch Datenverarbeitungsgeräte DNA, wie Beurteilen der Zustandes von Umwelt programmiert werden. Diese Durchführungen konnten die Entwicklung von den molekularen Robotern zulassen, die zum Chemotaxis fähig sind [Bewegung in einer Richtung entsprechend einer Steigung der Erhöhung oder abnehmender Konzentration einer bestimmten Substanz], [ähnlich] zu den weißen Blutkörperchen und jenseits.“

Die Forschung wurde durch das JSPS KAKENHI, AMED-CREST und Tohoku-Universität-DIARE gestützt.

* im gegenwärtigen Entwurf, „es gibt noch Beschränkungen in den Funktionen des Roboters. Zum Beispiel ist die Schaltung des Roboterverhaltens nicht umschaltbar. Die Formänderung ist nicht Richtungs- und bis jetzt für komplexe Aufgaben zum Beispiel Bewegung nicht möglich. Jedoch nach bestem Wissen ist dieses die erste Durchführung eines molekularen Roboters, der sein Form-änderndes Verhalten in Erwiderung auf spezifische Signalmoleküle steuern kann.“ — Yusuke Sato et al./Wissenschafts-Robotik

Zusammenfassung des Mikrometer-groß molekularen Roboters ändert seine Form in Erwiderung auf Signalmoleküle

Schneller Fortschritt in der Nanoskalabiotechnik hat den Entwurf von biomolekularen Geräten zugelassen, die als Sensoren, Auslöser und sogar Koinzidenzschaltungen auftreten. Realisierung von den Mikrometer-groß Robotern, die von diesen Komponenten zusammengebaut werden, ist eins der Endziele der bioinspired Robotik. Wir konstruierten einen Amöbe ähnlichen molekularen Roboter, der ununterbrochene Formänderung in Erwiderung auf spezifische Signalmoleküle ausdrücken kann. Der Roboter wird aus einem Körper, einem Auslöser und einem Auslöser-Kontrollegerät (Kupplung) verfasst. Der Körper ist Bäschen, die von einer Lipiddoppelschicht hergestellt werden, und der Auslöser besteht Proteinen, kinesin und aus Microtubules. Wir stellten die Kupplung unter Verwendung entworfener DNA-Moleküle her. Sie mittelt die Kraft über, die durch den Motor der Membran, in Erwiderung auf ein Signalmolekül erzeugt wird, das aus einer anderen Reihenfolge-entworfenen DNA mit chemischen Änderungen besteht. Als die Kupplung eingerastet wurde, wies der Roboter ununterbrochene Formänderung auf. Nachdem der Roboter mit Licht belichtet wurde, um die Freisetzung von dem Signalmolekül auszulösen, wurde die Kupplung gelöst, und infolgedessen, wurde das Form-ändernde Verhalten erfolgreich beendet. Darüber hinaus Signal-wurde die Rückseite, Prozess-dass ist, Einführung der Formänderung durch Input von a auch demonstriert. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Komponenten des Roboters durchweg in ein Funktionssystem integriert wurden. Wir erwarten, dass diese Studie eine Plattform zur Verfügung stellen kann, um die in zunehmendem Maße komplexen und molekularen funktionellsysteme mit kontrollierbarer Motilität zu errichten.