p Se as novas nanomáquinas construídas na The Ohio State University parecem familiares, é porque eles foram projetados com peças mecânicas de tamanho real, como dobradiças e pistões, em mente. p O projeto é o primeiro a provar que os mesmos princípios básicos de design que se aplicam a peças de máquinas de tamanho normal também podem ser aplicados ao DNA - e podem produzir complexos, componentes controláveis ​​para futuros nano-robôs.

p Em artigo publicado esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences , Os engenheiros mecânicos do estado de Ohio descrevem como usaram uma combinação de DNA natural e sintético em um processo chamado "origami de DNA" para construir máquinas que podem executar tarefas repetidamente.

p "A natureza produziu máquinas moleculares incrivelmente complexas em nanoescala, e um dos principais objetivos da bio-nanotecnologia é reproduzir sua função sinteticamente, "disse o líder do projeto Carlos Castro, professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial. "Onde a maioria dos grupos de pesquisa aborda este problema do ponto de vista biomimético - imitando a estrutura de um sistema biológico - decidimos explorar o campo bem estabelecido do design de máquinas macroscópicas para inspiração."

p "Em essência, estamos usando um sistema biomolecular para imitar sistemas de engenharia em grande escala para atingir o mesmo objetivo de desenvolver máquinas moleculares, " ele disse.

p Em última análise, a tecnologia pode criar nano-robôs complexos para fornecer medicamentos dentro do corpo ou realizar medições biológicas em nanoescala, entre muitas outras aplicações. Como os fictícios "Transformers, "uma máquina de origami de DNA pode mudar de forma para diferentes tarefas.

p "Estou muito animado com esta ideia, "Disse Castro." Acho que podemos construir algo como um sistema Transformer, embora talvez não exatamente como nos filmes. Eu penso nisso mais como uma nanomáquina que pode detectar sinais como a ligação de uma biomolécula, processar informações com base nesses sinais, e responder de acordo - talvez gerando uma força ou mudando de forma. "

p O método de origami de DNA para fazer nanoestruturas tem sido amplamente utilizado desde 2006, e agora é um procedimento padrão para muitos laboratórios que estão desenvolvendo sistemas e eletrônicos de entrega de medicamentos. Envolve pegar longas fitas de DNA e induzi-las a se dobrarem em diferentes formas, em seguida, prendendo certas partes com "grampos" feitos de fitas de DNA mais curtas. A estrutura resultante é estável o suficiente para realizar uma tarefa básica, como carregar uma pequena quantidade de medicamento dentro de uma estrutura de DNA semelhante a um recipiente e abrir o recipiente para liberá-lo.

p Para criar nanomáquinas mais complexas que podem executar essas tarefas repetidamente, Castro juntou-se a Haijun Su, também professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial no estado de Ohio. Combinado, as duas equipes de pesquisa têm experiência em nanotecnologia, biomecânica, engenharia de máquinas e robótica.

p Castro disse que há duas chaves para sua abordagem única para projetar e controlar o movimento das máquinas. O primeiro envolve tornar certas partes da estrutura flexíveis. Eles fazem partes flexíveis de DNA de fita simples, e partes mais rígidas de DNA de fita dupla.

p A segunda chave envolve "ajustar" as estruturas do DNA para que os movimentos das máquinas sejam reversíveis e repetíveis. Os pesquisadores pontuam suas estruturas com filamentos de DNA sintético que ficam pendurados nas bordas como o toldo de um telhado. Em vez de unir partes da máquina permanentemente, esses fios são projetados para agir como tiras de fechos de velcro - eles grudam ou se soltam, dependendo dos estímulos químicos dos arredores da máquina.

p No laboratório, os alunos de doutorado Alexander Marras e Lifeng Zhou pegaram longas fitas de DNA de um bacteriófago - um vírus que infecta bactérias e é inofensivo para os humanos - e as "grampearam" com fitas curtas de DNA sintético.

p Primeiro, eles juntaram duas "tábuas" de DNA rígidas com grampos flexíveis ao longo de uma borda para criar uma dobradiça simples. Castro comparou o processo a "conectar dois 2x4 de madeira com pedaços muito curtos de barbante ao longo da borda de 4 polegadas em uma extremidade".

p Eles também construíram um sistema que movia um pistão dentro de um cilindro. Essa máquina usava cinco pranchas, três dobradiças e dois tubos de diâmetros diferentes - todos feitos de pedaços de DNA de fita dupla e fita simples.

p Para testar se as máquinas estavam se movendo corretamente, eles os fotografaram com microscopia eletrônica de transmissão. Eles também rotularam o DNA com marcadores fluorescentes, para que eles pudessem observar as mudanças de forma com um espectrofluorômetro. Os testes confirmaram que as dobradiças abriam e fechavam e o pistão se movia para frente e para trás - e que os pesquisadores podiam controlar o movimento com a adição de sinais químicos à solução, como fitas adicionais de DNA.

p Esta abordagem de projetar juntas simples e conectá-las para fazer sistemas de trabalho mais complexos é comum no projeto de máquinas macroscópicas, mas esta é a primeira vez que isso foi feito com DNA - e a primeira vez que alguém ajustou o DNA para produzir a atuação reversível de um mecanismo complexo.

p A equipe de pesquisa agora está trabalhando para expandir o projeto de mecanismos para ajustar as máquinas, e também tentarão aumentar a produção das máquinas para desenvolvimento posterior.