p Uma equipe de cientistas da Universidade de Columbia, Arizona State University, a Universidade de Michigan, e o Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) programou um "robô" molecular autônomo feito de DNA para iniciar, mover, vez, e pare enquanto segue uma trilha de DNA. p O desenvolvimento pode levar a sistemas moleculares que podem um dia ser usados ​​para dispositivos terapêuticos médicos e robôs reconfiguráveis ​​em escala molecular - robôs feitos de muitas unidades simples que podem se reposicionar ou até mesmo se reconstruir para realizar diferentes tarefas.

p Um artigo descrevendo o trabalho aparece na edição atual da revista. Natureza .

p A visão tradicional de um robô é que ele é "uma máquina que sente seu ambiente, toma uma decisão, e então faz algo - age, "diz Erik Winfree, professor associado de ciência da computação, computação e sistemas neurais, e bioengenharia na Caltech.

p Milan N. Stojanovic, um membro do corpo docente da Divisão de Terapêutica Experimental da Universidade de Columbia, liderou o projeto e se uniu a Winfree e Hao Yan, professor de química e bioquímica da Arizona State University e especialista em nanotecnologia de DNA, e com Nils G. Walter, professor de química e diretor do Centro de Análise de Molécula Única em Tempo Real (SMART) da Universidade de Michigan em Ann Arbor, para o que se tornou uma automontagem moderna de cientistas com ideias semelhantes com as áreas complementares de especialização necessárias para enfrentar um problema difícil.

p Reduzir robôs à escala molecular proporcionaria, para processos moleculares, os mesmos tipos de benefícios que a robótica clássica e a automação fornecem na escala macroscópica. Robôs moleculares, em teoria, poderia ser programado para sentir seu ambiente (digamos, a presença de marcadores de doença em uma célula), tomar uma decisão (que a célula é cancerosa e precisa ser neutralizada), e agir de acordo com essa decisão (entregar uma carga de drogas que matam o câncer).

p Ou, como os robôs em uma fábrica moderna, eles poderiam ser programados para montar produtos moleculares complexos. O poder da robótica reside no fato de que, uma vez programada, os robôs podem realizar suas tarefas de forma autônoma, sem mais intervenção humana.

p Com essa promessa, Contudo, surge um problema prático:como você programa uma molécula para realizar comportamentos complexos?

p "Na robótica normal, o próprio robô contém o conhecimento sobre os comandos, mas com moléculas individuais, você não pode armazenar tanta informação, então, a ideia é armazenar informações sobre os comandos do lado de fora, "diz Walter. E você faz isso, diz Stojanovic, "imbuindo o ambiente da molécula com pistas informativas."

p "Fomos capazes de criar um ambiente programado ou 'prescrito' usando origami de DNA, "explica Yan. Origami de DNA, uma invenção de Caltech Senior Research Associate Paul W. K. Rothemund, é um tipo de estrutura auto-montada feita de DNA que pode ser programada para formar formas e padrões quase ilimitados (como rostos sorridentes ou mapas do hemisfério ocidental ou mesmo diagramas elétricos). Explorando as propriedades de reconhecimento de sequência do emparelhamento de bases de DNA, Origami de DNA são criados a partir de uma única fita longa de DNA e uma mistura de diferentes fitas curtas de DNA sintético que se ligam e "grampeiam" o DNA longo na forma desejada. O origami usado no Natureza O estudo foi um retângulo com 2 nanômetros (nm) de espessura e cerca de 100 nm de cada lado.

p Os pesquisadores construíram uma trilha de "migalhas de pão" moleculares na trilha do origami de DNA, amarrando moléculas de DNA de fita simples adicionais, ou oligonucleotídeos, fora das pontas dos grampos. Estes representam as pistas que dizem aos robôs moleculares o que fazer - começar, andar, Vire à esquerda, Vire à direita, ou pare, por exemplo - semelhante aos comandos dados aos robôs tradicionais.

p O robô molecular que os pesquisadores escolheram usar - apelidado de "aranha" - foi inventado por Stojanovic há vários anos, momento em que se mostrou capaz de estender, mas não direcionado, passeios aleatórios em superfícies bidimensionais, comendo através de um campo de migalhas de pão.

p Para construir o robô molecular de 4 nm de diâmetro, os pesquisadores começaram com uma proteína comum chamada estreptavidina, que tem quatro bolsas de ligação colocadas simetricamente para uma porção química chamada biotina. Cada perna do robô é uma pequena fita de DNA marcada com biotina, "assim, podemos ligar até quatro pernas ao corpo do nosso robô, "Walter diz." É uma aranha de quatro patas, "ironiza Stojanovic. Três das pernas são feitas de DNA enzimático, que é o DNA que se liga e corta uma sequência particular de DNA. A aranha também é equipada com uma "fita inicial" - a quarta perna - que amarra a aranha ao local inicial (um oligonucleotídeo específico na trilha de origami do DNA). "Depois que o robô é liberado de seu local inicial por um fio de gatilho, ele segue a trilha ligando-se e, em seguida, cortando as fitas de DNA que se estendem das fitas básicas na trilha molecular, "Stojanovic explica.

p "Assim que se partir, "acrescenta Yan, "o produto vai se dissociar, e a perna começará a procurar o próximo substrato. "Desta forma, a aranha é guiada pelo caminho traçado pelos pesquisadores. Finalmente, explica Yan, "o robô para quando encontra um pedaço de DNA ao qual pode se ligar, mas que não pode cortar, "que atua como uma espécie de papel mosca.

p Embora outros caminhantes de DNA tenham sido desenvolvidos antes, eles nunca se aventuraram além de cerca de três passos. "Este, "diz Yan, "pode ​​caminhar até cerca de 100 nanômetros. São cerca de 50 passos."

p "Isso por si só não foi uma surpresa, "adiciona Winfree, "já que o trabalho original de Milan sugeria que as aranhas podem realizar centenas, senão milhares de etapas processuais. O que é empolgante aqui é que não apenas podemos confirmar diretamente o movimento em várias etapas das aranhas, mas podemos direcionar as aranhas para seguir um caminho específico, e eles fazem tudo sozinhos - de forma autônoma. "

p Na verdade, usando microscopia de força atômica e microscopia de fluorescência de molécula única, os pesquisadores foram capazes de observar diretamente as aranhas rastejando sobre o origami, mostrando que eles foram capazes de guiar seus robôs moleculares para seguir quatro caminhos diferentes.

p "Monitorar isso em um nível de molécula única é muito desafiador, "diz Walter." É por isso que temos uma interdisciplinaridade, operação multi-instituto. Temos pessoas construindo a aranha, caracterizando a aranha básica. Temos a capacidade de montar a pista, e analisar o sistema com imagens de molécula única. Esse é o desafio técnico. "Os desafios científicos para o futuro, Yan diz, "são como fazer a aranha andar mais rápido e como torná-la mais programável, para que possa seguir muitos comandos na pista e tomar mais decisões, implementação de comportamento lógico. "

p "No sistema atual, "diz Stojanovic, "as interações são restritas ao andador e ao ambiente. Nosso próximo passo é adicionar um segundo andador, para que os caminhantes possam se comunicar uns com os outros diretamente e por meio do ambiente. As aranhas trabalharão juntas para atingir um objetivo. "Adiciona Winfree, "A chave é aprender a programar comportamentos de nível superior por meio de interações de nível inferior."

p Essa colaboração, em última análise, pode ser a base para o desenvolvimento de robôs reconfiguráveis ​​em escala molecular - máquinas complicadas que são feitas de muitas unidades simples que podem se reorganizar em qualquer forma - para realizar diferentes tarefas, ou consertar-se se eles quebrarem. Por exemplo, pode ser possível usar os robôs para aplicações médicas. "A ideia é fazer com que robôs moleculares construam uma estrutura ou reparem tecidos danificados, "diz Stojanovic.

p "Você poderia imaginar a aranha carregando uma droga e se ligando a uma superfície bidimensional como uma membrana celular, encontrar os receptores e, dependendo do ambiente local, "acrescenta Yan, "desencadeando a ativação desta droga."

p Esses aplicativos, embora intrigante, estão a décadas ou mais de distância. "Isso pode ser 100 anos no futuro, "Stojanovic diz." Estamos muito longe disso agora. "

p "Mas, "Walter acrescenta, "assim como os pesquisadores se reúnem hoje para resolver um problema difícil, os nanorrobôs moleculares podem fazê-lo no futuro. "