Исследователи из Университета Северной Каролины создали микроскопических мягких роботов в форме цветов, которые могут менять форму и поведение в зависимости от окружающей среды, как это делают живые организмы. Крошечные «цветы из ДНК» состоят из особых кристаллов, образованных в результате соединения ДНК и неорганических материалов. Они могут сворачиваться и разворачиваться за считаные секунды, что делает их одними из самых динамичных материалов, когда-либо созданных в таком масштабе.
В каждом цветке ДНК выполняет роль миниатюрной компьютерной программы, определяющей его движения и взаимодействие с окружающей средой. В зависимости от изменений в условиях, например, при изменении уровня кислотности, цветок может раскрыться, закрыться или спровоцировать химическую реакцию. Это указывает на возможность создания роботов, использующих ДНК, способных к самостоятельному выполнению разнообразных задач — от транспортировки медикаментов до удаления загрязняющих веществ.
«Умные капсулы, которые сами активируют лекарство при обнаружении заболевания и прекращают его действие после выздоровления, были бы желанным приобретением для многих людей. По словам доктора Ронит Фриман, старшего автора публикации, это становится возможным благодаря нашим материалам, способным изменять свою структуру. В перспективе можно будет создавать глотаемые или имплантируемые устройства в форме, например, цветка, которые изменят форму для доставки лекарств в нужный участок тела, проведения биопсии или удаления тромбов».
Вдохновение для разработки пришло из наблюдений за природными явлениями: раскрытием лепестков, ритмичными движениями кораллов и формированием тканей в живых существах. Ученые стремились повторить эти сложные процессы при создании искусственных материалов. Долгое время решение этой задачи оказывалось невозможным для специалистов, работающих на микроскопическом уровне. «Мы находим вдохновение в природных структурах и переносим его в технологии, которые в будущем смогут самостоятельно принимать решения, перемещаться и приспосабливаться», – отметил Фримен.
Секрет их достижения кроется в структуре ДНК, расположенной внутри кристаллов, имеющих форму цветка. При повышении кислотности окружающей среды нити ДНК плотно скручиваются, приводя к закрытию «цветка». Когда условия стабилизируются, ДНК вновь выпрямляется, и лепестки раскрываются. Данное простое, но эффективное изменение можно применять для контроля химических процессов, транспортировки и высвобождения молекул, а также для взаимодействия с клетками и тканями.
Хотя технология пока находится в процессе тестирования, её создатели видят многообещающие возможности для использования. В будущем «цветы» из ДНК смогут вводиться в организм и направляться к опухоли. При достижении опухоли они будут реагировать на её кислотность, закрывая «лепестки» и высвобождая лекарственное средство или забирая небольшой фрагмент ткани. После того как опухоль будет устранена, «цветы» раскроются и деактивируются, чтобы вновь среагировать в случае повторного возникновения заболевания.
Помимо применения в медицине, эти инновационные материалы могут быть использованы для восстановления после экологических бедствий: они будут выделять очищающие компоненты в загрязненную воду и впоследствии полностью растворятся. Данное изобретение способно удерживать колоссальные объемы цифровой информации – до двух триллионов гигабайт – в объеме чайной ложки, предоставляя более экологичную и результативную технологию хранения, считывания и записи данных.
Это событие является значимым этапом в разработке материалов, которые могут воспринимать окружающую среду и изменять свои свойства в ответ на внешние воздействия, что позволит сблизить живые организмы и технические устройства. Научная статья доступна онлайн в журнале Nature Nanotechnology.
[Фото: Джастин Хилл, Филип Розенберг и Ронит Фриман / Университет Северной Каролины at Chapel Hill]