p Imagine um robô que poderia ajudá-lo a arrumar sua casa:perambulando, separar meias perdidas na lavanderia e pratos sujos na máquina de lavar louça. Embora esse ajudante prático ainda possa ser matéria de ficção científica, Os cientistas da Caltech desenvolveram uma máquina molecular autônoma que pode realizar tarefas semelhantes - em nanoescala. Este "robô, "feito de uma única fita de DNA, pode "andar" autonomamente em torno de uma superfície, pegar certas moléculas e soltá-las em locais designados. p O trabalho foi feito no laboratório de Lulu Qian, professor assistente de bioengenharia. Aparece em um artigo na edição de 15 de setembro da Ciência .

p Por que Nanobots?

p "Assim como robôs eletromecânicos são enviados para lugares distantes, como Marte, gostaríamos de enviar robôs moleculares para lugares minúsculos onde os humanos não podem ir, como a corrente sanguínea, "diz Qian." Nosso objetivo era projetar e construir um robô molecular que pudesse realizar uma tarefa nanomecânica sofisticada:a separação de cargas. "

p Como construir um robô molecular

p Liderado pelo ex-aluno de pós-graduação Anupama Thubagere (PhD '17), os pesquisadores construíram três blocos básicos de construção que poderiam ser usados ​​para montar um robô de DNA:uma "perna" com dois "pés" para caminhar, um "braço" e uma "mão" para pegar a carga, e um segmento que pode reconhecer um ponto específico de entrega e sinalizar para a mão para liberar sua carga. Cada um desses componentes é feito de apenas alguns nucleotídeos em uma única fita de DNA.

p Em princípio, esses blocos de construção modulares podem ser montados de muitas maneiras diferentes para completar tarefas diferentes - um robô de DNA com várias mãos e braços, por exemplo, poderia ser usado para transportar várias moléculas simultaneamente.

p No trabalho descrito no artigo da Science, o grupo Qian construiu um robô que poderia explorar uma superfície molecular, pegue duas moléculas diferentes - um corante amarelo fluorescente e um corante rosa fluorescente - e depois distribua-as em duas regiões distintas da superfície. O uso de moléculas fluorescentes permitiu aos pesquisadores ver se as moléculas terminaram em seus locais pretendidos. O robô classificou com sucesso seis moléculas espalhadas, três rosas e três amarelas, em seus lugares corretos em 24 horas. Adicionar mais robôs à superfície reduziu o tempo necessário para concluir a tarefa.

p "Embora tenhamos demonstrado um robô para esta tarefa específica, o mesmo projeto de sistema pode ser generalizado para trabalhar com dezenas de tipos de cargas em qualquer localização inicial arbitrária na superfície, "diz Thubagere." Também é possível ter vários robôs executando diversas tarefas de classificação em paralelo. "

p Design através do DNA

p A chave para projetar máquinas de DNA é o fato de que o DNA tem propriedades químicas e físicas únicas que são conhecidas e programáveis. Uma única fita de DNA é composta por quatro moléculas diferentes chamadas nucleotídeos - abreviado A, G, C, e T - e organizados em uma string chamada sequência. Esses nucleotídeos se ligam em pares específicos:A com T, e G com C. Quando uma única fita encontra uma chamada fita complementar reversa, por exemplo, CGATT e AATCG — os dois fios se juntam no clássico formato de dupla hélice.

p Uma única fita contendo os nucleotídeos corretos pode forçar duas fitas parcialmente compactadas a se separarem. A rapidez com que cada evento de compactação e descompactação acontece e quanta energia ele consome pode ser estimada para qualquer sequência de DNA, permitindo que os pesquisadores controlem a velocidade com que o robô se move e quanta energia ele usa para realizar uma tarefa. Adicionalmente, o comprimento de uma única fita ou de duas fitas fechadas pode ser calculado. Assim, a perna e o pé de um robô de DNA podem ser projetados para um tamanho de passo desejado - neste caso, 6 nanômetros, que é cerca de um centésimo milionésimo do tamanho do passo de um humano.

p Usando esses princípios químicos e físicos, pesquisadores podem projetar não apenas robôs, mas também "playgrounds, "como pegboards moleculares, para testá-los. No trabalho atual, o robô de DNA se move em um painel de 58 nanômetros por 58 nanômetros no qual os pinos são feitos de fitas simples de DNA complementares à perna e ao pé do robô. O robô se prende a um pino com sua perna e um de seus pés - o outro pé flutua livremente. Quando flutuações moleculares aleatórias fazem com que este pé livre encontre um pino próximo, ele puxa o robô para o novo pino e seu outro pé é liberado. This process continues with the robot moving in a random direction at each step.

p It may take a day for a robot to explore the entire board. Pelo caminho, as the robot encounters cargo molecules tethered to pegs, it grabs them with its "hand" components and carries them around until it detects the signal of the drop-off point. O processo é lento, but it allows for a very simple robot design that utilizes very little chemical energy.

p Futuristic Applications

p "We don't develop DNA robots for any specific applications. Our lab focuses on discovering the engineering principles that enable the development of general-purpose DNA robots, " says Qian. "However, it is my hope that other researchers could use these principles for exciting applications, such as using a DNA robot for synthesizing a therapeutic chemical from its constituent parts in an artificial molecular factory, delivering a drug only when a specific signal is given in bloodstreams or cells, or sorting molecular components in trash for recycling."