کنترل ازدحام ربات ها با مولکول ها و آنزیم های DNA

مولکول ها و آنزیم های DNA که به طور مصنوعی طراحی شده اند، چگونه می‌توانند ازدحام ربات‌ها را کنترل کنند؟ محققان یک کنترل کننده مبتنی بر DNA ساخته اند که می تواند مونتاژ و جداسازی ربات های مولکولی را هدایت کند.

در توسعه ای که ما را به انبوهی از ربات‌های مولکولی مستقل نزدیک‌تر می‌کند، محققان ژاپنی یک کنترل‌کننده مولکولی مبتنی بر DNA ایجاد کردند که می‌تواند مونتاژ و جداسازی آن‌ها را هدایت کند.

مطالعه اخیر که در Science Advances توسط دانشمندان دانشگاه توهوکو و دانشگاه کیوتو منتشر شده است، این فناوری جدید را که در فناوری نانو و پزشکی کاربرد دارد، تشریح می کند... این ربات ها می توانند به تشخیص و درمان بیماری ها کمک کنند و در داخل و خارج از بدن انسان کار کنند.

کنترل کننده مولکولی که از مولکول ها و آنزیم های DNA به طور مصنوعی طراحی شده است، می تواند ربات های مولکولی را با خروجی مولکول های DNA خاص هدایت کند، همانطور که در یک بیانیه مطبوعاتی توسط نویسنده همکار این مطالعه، پروفسور رباتیک مولکولی، Shin-ichiro M.Nomura از دانشکده مهندسی دانشگاه توهوکو توضیح داده شد، این رویکرد به ربات ها اجازه می دهد تا به طور خودکار خود مونتاژ و جدا شوند. (بدون نیاز به دستکاری خارجی)

این امر بسیار مهم است زیرا چنین عملیاتی این امکان را برای ربات ها فراهم می کند تا وظایف خود را در محیط هایی انجام دهند که سیگنال های خارجی نمی توانند به آن نفوذ کنند و تحقیقات قبلی توسط پروفسور کاکوگو و همکارانش، ربات‌های مولکولی را به نمایش گذاشتند که به صورت جداگانه حرکت می‌کردند، در حالی که کنترل‌کننده مولکولی به لطف یک توالی برنامه‌ریزی‌شده، رفتار گروهی مانند را تسهیل می‌کرد.

چگونه کار می کند؟

همانطور که محققان در مقدمه مقاله خود بیان می کنند، جانداران زنده سیستم های مستقلی هستند که قادر به تشخیص محیط خود، پردازش اطلاعات و انجام اقدامات لازم هستند و دانشمندان مجذوب این استقلال هستند و به دنبال سنتز سیستم‌های مستقلی هستند که نیازی به عملیات دستی ندارند.

برای مهندسان در زمینه نوظهور رباتیک با الهام از زیست، تمرکز بر استفاده از مواد سخت و نرم ایجاد شده است، همانطور که دانشمندان توانستند به طور چشمگیری مواد نرم الهام گرفته شده از زیست را مینیاتوری کنند، رباتیک مولکولی رشد کرده است و به دنبال ایجاد ربات از مواد مولکولی است.

دانشمندان می گویند: مولکول‌های زیستی مانند اسیدهای نوکلئیک و پروتئین‌ها به دلیل قابلیت برنامه‌ریزی و ویژگی بالا، کاندیدهای سازنده امیدوارکننده‌ای برای ربات‌های مولکولی هستند.

کنترل کننده مولکولی که این تیم ابداع کرده می تواند سیگنال DNA را به میکروتوبول ها در محلولی صادر کند که به عنوان فرمان مجموعه عمل کند و میکروتوبول ها - ساختارهای لوله مانند باریک که از شکل سلول گیاهی یا جانوری پشتیبانی می کنند و نقش مهمی در فرآیندهای اساسی مانند حمل و نقل و تقسیم سلولی ایفا می کنند - دارای DNA اصلاح شده هستند و توسط موتورهای مولکولی کینزین به پیش می روند.

کینزین یک پروتئین حرکتی است که در امتداد میکروتوبول ها حرکت می کند و بخش مهمی از حمل و نقل درون سلولی، تقسیم سلولی و پویایی اسکلت سلولی است.

هنگامی که میکروتوبول ها سیگنال DNA را از کنترل کننده دریافت می کنند، می توانند جهت حرکت خود را تغییر دهند و به طور خودکار در یک ساختار بسته بندی شده جمع شوند، اگر کنترل‌کننده فرمان disassemble را صادر کند، دسته‌های میکروتوبول از هم جدا می‌شوند.

این با کنترل مدار مولکولی که چنین سیگنال هایی را پردازش می کند، انجام می شود.

آزمایش اثبات مفهوم

علاوه بر پروفسور نومورا، تیم تحقیقاتی متشکل از دانشیار ایبوکی کاواماتا و پروفسور آکیرا کاکوگو از دانشکده علوم تحصیلات تکمیلی دانشگاه کیوتو و همچنین دانشجوی فارغ التحصیل کوهی نیشیاما از دانشگاه یوهانس گوتنبرگ ماینز بود.

پروفسور Nomura جزئیات بیشتری در مورد تحقیقات این تیم ارائه کرد و در مورد اهمیت کنترل کننده مولکولی که تیم آنها توسعه داده است، با تمرکز بر نوع پیشرفت تکنولوژیکی که برای ایجاد آن لازم است، توضیح داد.

کنترل کننده مولکولی آنها بسیار مهم است زیرا از واکنش آبشاری مولکول های DNA به عنوان برنامه ای استفاده می کند که مونتاژ و جداسازی ربات های مولکولی را کنترل می کند و آن را آزمایش اثبات مفهوم می نامد.

در حالی که واکنش‌های مولکولی در مدارهای DNA به عنوان ایستا در نظر گرفته می‌شوند، مقاله‌ای در سال 2017 توسط Nomura و همکارانش در Science Robotics امکان استفاده از یک کلاچ مولکولی ساخته شده از مولکول‌های DNA تغییر یافته را برای تأثیرگذاری بر شکل یک ربات مولکولی نشان داده است.

بدن آن ربات از یک وزیکول ساخته شده از دولایه لیپیدی و یک محرک ساخته شده از پروتئین ها، کینزین و میکروتوبول ها تشکیل شده بود، همچنین دارای یک کلاچ ساخته شده با مولکول های DNA طراحی شده بود.

در پاسخ به یک مولکول سیگنال متشکل از یک DNA طراحی‌شده به ترتیب، کلاچ نیروی تولید شده توسط موتور را به غشاء منتقل می‌کند و این امر باعث شد تا ربات به طور مداوم شکل خود را تغییر دهد، همچنین می‌توان با تابش نور به ربات به این رفتار تغییر شکل پایان داد و باعث آزاد شدن مولکول سیگنال و جدا کردن کلاچ شد.

همانطور که Nomura در مکاتبات خود نوشت، ما نشان دادیم که حتی اهداف دینامیکی که با موتورهای مولکولی سریع و قوی حرکت می کنند را می توان کنترل کرد و افزود که آنها همچنین با کشف اینکه برنامه DNA سیستم خود تقویت کننده می تواند کار کند، به عنوان محقق اعتماد به نفس پیدا کردند. (هنگامی که محلول در محل مخلوط می شود، به جای جدا شدن در یک محفظه CPU که به روشی غیر قابل لمس بسته بندی شده است)

آینده این فناوری چیست؟

پیشرفت بیشتر این فناوری احتمالاً منجر به سیستم‌های مولکولی خود هدایت شونده پیچیده‌تر می‌شود، با ربات‌هایی که وظایفی را مدیریت می‌کنند که فقط به صورت گروهی قابل انجام هستند... آنها بر اساس دستور داده شده جمع می شوند، وظایف را انجام می دهند و سپس جدا می شوند.

محققان پتانسیل اتوماسیون بیشتر ربات‌های مولکولی و نحوه پردازش اطلاعات دو مولکولی را با استفاده از عملکرد کنترل‌کننده با مدارهای پیچیده DNA و دستگاه‌های تقویت می‌بینند.

همانطور که پروفسور Nomura توضیح داد، چیزی که در مورد مولکول‌ها هیجان‌انگیز است این است که در حالی که آنها به دلیل اثرات آنتروپی سوسو می‌زنند، همچنین می‌توان به آنها دستور داد که پاک شوند. (حتی به طور موقت)

کاربردهای بالقوه این کار بسیار زیاد است... این فناوری که در پزشکی استفاده می شود، می تواند برای دارورسانی هدفمند و جراحی بسیار دقیق در سطح مولکولی استفاده شود.

در علم محیط زیست، ازدحام ربات های مولکولی ممکن است به شناسایی و خنثی کردن آلاینده ها کمک کند و از سوی دیگر، در علم مواد، این فناوری می تواند به توسعه مواد جدیدی که دارای ویژگی های خودآرایی هستند کمک کند.

نامورا اظهار داشت: تطبیق پذیری کنترل کننده مولکولی امکانات زیادی را برای کاربرد آن در حوزه های مختلف باز می کند.

آینده تیم چیست؟

همانطور که پروفسور نامورا توضیح داد، آنها در حال حاضر بر روی چند چالش خاص متمرکز شده اند، تمرکز اصلی افزایش، پیچیدگی و عملکرد ربات‌های مولکولی در عین حفظ کنترل بسیار دقیق است.

آنها همچنین برای بهبود پایداری و استحکام سیستم های خود در محیط های مختلف تلاش می کنند... Namura می گود: در حال حرکت رو به جلو، هدف ما توسعه فناوری برای ارتباط با پدیده های مولکولی طبیعی در شرایط سخت تر است.

مالکیت معنوی مجله انرژی (energymag.ir) علامت تجاری ناشر است... سایر علائم تجاری مورد استفاده در این مقاله متعلق به دارندگان علامت تجاری مربوطه می باشد، ناشر وابسته یا مرتبط با دارندگان علامت تجاری نیست و توسط دارندگان علامت تجاری حمایت، تایید یا ایجاد نشده است، مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد و هیچ ادعایی از سوی ناشر نسبت به حقوق مربوط به علائم تجاری شخص ثالث وجود ندارد.