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Los robots moleculares de forma-desplazamiento programables responden a las señales de la DNA

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Los investigadores japoneses han desarrollado ameba-como el forma-cambio del robot molecular — montado de biomoléculas tales como DNA, proteínas, y lípidos — eso podía actuar como robot programable y controlable para tratar las células que cultivaban vivas o supervisar la contaminación ambiental, por ejemplo.

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Esto la primera vez que un sistema robótico molecular puede reconocer señales y controlar su función forma-cambiante, y sus robots moleculares podrían en un futuro próximo funcionar de una manera similar a los organismos vivos, según los investigadores.

Convertido por un grupo de investigación en la universidad y Japón de Tohoku avanzó al instituto de la ciencia y de la tecnología, el robot molecular integra las máquinas moleculares dentro de una membrana celular artificial y es cerca de un micrómetro en diámetro — similar de tamaño a las células humanas. Puede comenzar y parar su función forma-cambiante en respuesta a una señal específica de la DNA.

Diagrama esquemático del robot molecular. (a) en respuesta a una señal por marcha-parada de la DNA, los actuadores moleculares (microtubules) dentro del robot cambian la forma de la membrana celular artificial (liposoma), controlada por un “embrague molecular” que transmita la fuerza del actuador (las proteínas del kinesin, mostradas en verde, montan la DNA la membrana celular cuando están activadas). (b) imágenes de la microscopia de robots moleculares. Cuando la señal de la DNA de la entrada es “parada,” se apaga el embrague “,” desactivando el comportamiento forma-cambiante. Se activa el forma-cambio cuando el se gira embrague “.” Barra de la escala: μm 20. La flecha blanca indica la pieza molecular del actuador que transforma la forma de la membrana. (crédito: Yusuke Sato)

La fuerza del movimiento es generada por los actuadores moleculares (los microtubules) controlados por un embrague molecular (integrado por la DNA y el kinesin — un “caminante” que lleva las moléculas a lo largo de microtubules en el cuerpo). La forma del cuerpo del robot (membrana celular artificial, o del liposoma — una vesícula hecha de un bilayer del lípido) es cambiada (de parásitos atmosféricos a activo) por el actuador, accionado por las señales específicas de la DNA activadas por la radiación ultravioleta.

Proteína del motor de Kinesin “que camina” a lo largo del filamento del microtubule (crédito: Jzp706/CC)

Se espera que la realización de un robot molecular cuyos componentes se diseñen en un nivel molecular y ése puede funcionar en un pequeño y ambiente complicado, tal como el cuerpo humano, amplíe perceptiblemente las posibilidades de la ingeniería de la robótica, según el researchers.*

“Con más de 20 sustancias químicas en las concentraciones diversas, nos tardó un año y medio para establecer las buenas condiciones para trabajar nuestros robots moleculares,” dice al profesor adjunto Shin-ichiro Nomura en la escuela de la universidad de Tohoku de la ingeniería, que llevó el estudio. “Era emocionante ver el movimiento forma-cambiante del robot a través del microscopio. Significó que nuestro embrague diseñado de la DNA funcionó perfectamente, a pesar de las condiciones complejas dentro del robot.”

Programable por los dispositivos computacionales de la DNA

Los resultados de investigación fueron publicados en un papel del abierto-acceso en robótica de la ciencia el 1 de marzo de 2017.

Los autores dicen que “combinar otros dispositivos moleculares llevaría a la realización de un robot molecular con funciones avanzadas. Por ejemplo, los nanopores artificiales, tales como un canal artificial integrado por la DNA, se podían utilizar a las moléculas de la señal de sentido en los ambientes circundantes a través del canal.

“Además, el comportamiento de un robot molecular se podía programar por los dispositivos computacionales de la DNA, tales como juicio de la condición de ambientes. Estas puestas en práctica podrían permitir el desarrollo de los robots moleculares capaces del quimiotactismo [movimiento en una dirección correspondiente a una pendiente de aumentar o de disminuir la concentración de una sustancia particular], [similar a] de los glóbulos blancos, y más allá.”

La investigación fue apoyada por el JSPS KAKENHI, AMED-CREST y universidad-DIARE de Tohoku.

* en el diseño actual, “todavía hay limitaciones en las funciones del robot. Por ejemplo, la transferencia del comportamiento del robot no es reversible. El cambio de la forma no es direccional y hasta ahora no posible para las tareas complejas, por ejemplo, locomoción. Sin embargo, según mi entender, ésta es la primera puesta en práctica de un robot molecular que pueda controlar su comportamiento forma-cambiante en respuesta a las moléculas específicas de la señal.” — Yusuke Sato y otros/robótica de la ciencia

El extracto del robot molecular Micrómetro-clasificado cambia su forma en respuesta a las moléculas de la señal

El progreso rápido en bioingeniería del nanoscale ha permitido el diseño de dispositivos biomoleculares que actúan como los sensores, los actuadores, e incluso circuitos de lógica. La realización de los robots micrómetro-clasificados montados de estos componentes es uno de los objetivos últimos de la robótica bioinspired. Construimos ameba-como el robot molecular que puede expresar el cambio continuo de la forma en respuesta a las moléculas específicas de la señal. El robot se compone de un cuerpo, de un actuador, y de un dispositivo actuador-que controla (embrague). El cuerpo es una vesícula hecha de un bilayer del lípido, y el actuador consiste en las proteínas, kinesin, y microtubules. Hicimos el embrague usando las moléculas diseñadas de la DNA. Transmite la fuerza generada por el motor a la membrana, en respuesta a una molécula de la señal integrada por otra DNA secuencia-diseñada con modificaciones químicas. Cuando el embrague fue dedicado, el robot exhibió el cambio continuo de la forma. Después de que el robot fuera iluminado con la luz para accionar el lanzamiento de la molécula de la señal, el embrague fue desunido, y por lo tanto, el comportamiento forma-cambiante fue terminado con éxito. Además, el revés proceso-que es, iniciación del cambio de la forma por la entrada de a señal-también fue demostrado. Estos resultados muestran que los componentes del robot fueron integrados constantemente en un sistema funcional. Contamos con que este estudio pueda proporcionar una plataforma para construir sistemas moleculares cada vez más complejos y funcionales con movilidad controlable.