Ein Team von Wissenschaftlern aus Deutschland und China teilte die Ergebnisse eines erstaunlichen Experiments. Wissenschaftler haben einen DNA-Nanobot erstellt, der nur aus einem Molekül besteht, und ihn in ein zweidimensionales Labyrinth gebracht, das nach dem Origami-Prinzip entworfen wurde. Dem sogenannten DNA-Navigator gelang es, einen Ausweg zu finden.
Denken Sie daran, dass Sie mit der DNA-Origami-Technologie verschiedene Strukturen aus DNA-Strängen erstellen können. Dies ist möglich, weil lange DNA-Moleküle aus Nukleotiden bestehen, die Paare bilden: Adenin mit Thymin, Cytosin mit Guanin. Indem Sie die Sequenz der Nukleotide in der Kette angeben, können Sie erreichen, dass sie sich an den richtigen Stellen und im richtigen Winkel falten und befestigen. Auf diese Weise können Sie unendlich viele Strukturen erstellen.
In diesem Fall verwendete ein Team unter der Leitung von Friedrich Simmel von der Technischen Universität München und Chunhai Fan von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften die DNA-Origami-Technologie, um ein Labyrinth zu erstellen, das einem mathematischen Baumgraphen ähnelt. In diesem Fall haben die „Passagen“des Labyrinths sogenannte DNA-Klammern, an die sich ein anderes Molekül anlagern kann. Gleichzeitig dienen Gebiete ohne solche „Hinweise“als „Mauern“.
Es wird angegeben, dass das resultierende Labyrinth strukturell einem Baum mit zehn Scheitelpunkten entspricht (das Diagramm ist unten gezeigt). Es enthält einen Eingang und einen Ausgang.
Ein Labyrinth entspricht strukturell einem Baum mit zehn Scheitelpunkten. Scheitelpunkt A markiert den Eingang. Mögliche Routen sind rot markiert, aber nur eine (rechts) ist korrekt. Illustration durch Naturmaterialien.
Die Autoren der Arbeit erklären, dass das winzige Gerät, das sie erstellt haben, als DNA-Walker bezeichnet wird. Es bewegt sich durch Kettenreaktionen der DNA-Hybridisierung (die Kombination geeigneter einzelsträngiger Nukleinsäuren zu einem Molekül).
Ihm zufolge bietet ein solcher Mechanismus die Möglichkeit, die Labyrinthpassagen einzuschalten. Wenn mehrere DNA-Nanobots in eine solche Struktur gestartet werden, kann jeder von ihnen unabhängig eine der möglichen Routen untersuchen, die eine parallele Tiefensuche ermöglichen (dies ist eine der Methoden zum Durchlaufen des Graphen).
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Um dem DNA-Nanobot bei der Auswahl des einzig richtigen Pfades aus vielen Optionen zu helfen, haben die Wissenschaftler den oberen Rand des Baumgraphen, der den Ausgang darstellt, chemisch modifiziert.
Um dem DNA-Nanobot zu helfen, aus einer Vielzahl von Optionen den richtigen Weg zu wählen, haben Wissenschaftler den Ausgang aus dem Labyrinth chemisch modifiziert. Illustration durch Naturmaterialien.
Während der Experimente beobachteten Spezialisten die Bewegungen von DNA-Navigatoren unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops und eines Mikroskops mit sehr hoher Auflösung. Die erste Methode ermöglicht es, asphaltierte Routen und Bereiche zu verfolgen, die der DNA-Walker noch nicht besucht hat. Die zweite Methode bietet eine fluoreszierende Visualisierung der Route mit nanoskaliger Auflösung.
Die Forscher sind zuversichtlich, dass diese Art der Entwicklung dazu beitragen wird, die Möglichkeiten auf dem Gebiet der Nanotechnologie, der biomolekularen Selbstorganisation und der künstlichen Intelligenz zu erweitern. Solche DNA-Navigatoren können zum Speichern und Übertragen von Informationen sowie in der Medizin zur Diagnose und Behandlung verschiedener Krankheiten, einschließlich der Onkologie, verwendet werden.
Diese Arbeit wird in einem Artikel in der Zeitschrift Nature Materials ausführlicher beschrieben.
Julia Vorobyova
