Учёные работают над созданием наномасштабных молекулярных машин, которые можно будет использовать в самых разных областях, таких как «умные» лекарства и материалы. Но, как и всем машинам, им нужен источник питания — так же, как электронным приборам требуется электричество, а живым клеткам — АТФ (аденозинтрифосфат, универсальный биологический источник энергии).
Исследователи из лаборатории Лулу Цянь, профессора биоинженерии Калифорнийского технологического института, разрабатывают наномасштабные машины из синтетической ДНК, используя уникальные свойства химической связи ДНК для создания схем, которые могут обрабатывать сигналы подобно миниатюрным компьютерам. Эти молекулярные машины, работающие на миллиардных долях метра, можно спроектировать так, чтобы они формировали ДНК-роботов, сортирующих грузы, или функционировали как нейронная сеть, способная распознавать рукописные цифры.
Однако до сих пор стояла одна серьёзная задача: как спроектировать эти машины и обеспечить их энергией для многократного использования.
Теперь Цянь и бывший научный сотрудник Тяньци Сун (ныне доцент Университета Северной Каролины в Гринсборо) разработали метод питания ДНК-схем с помощью тепла. Их система перезаряжается при нагревании, создавая многоразовую систему, которую можно настроить для выполнения различных вычислений. Статья с описанием исследования опубликована в журнале Nature.
«В отличие от специализированного топлива, тепло доступно повсюду, — говорит Цянь. — При правильной конструкции оно может перезаряжать молекулярные машины снова и снова, позволяя им поддерживать активность и продолжать взаимодействие с окружающей средой. И в отличие от химических батарей, такая перезарядка практически не оставляет отходов — только остатки входных сигналов, которые в естественной среде со временем будут просто переработаны».
Метод теплового перезаряда основан на явлении, называемом кинетической ловушкой. Пружины — классический пример кинетической ловушки: сжатие пружины накапливает энергию, которая высвобождается, когда пружина распрямляется. Аналогичным образом молекулы ДНК, из которых состоит система команды, спроектированы так, чтобы связываться друг с другом таким образом, что при нагревании в них накапливается энергия в самих молекулярных связях.
«Представьте себе две нити ДНК, которые должны соединиться, как кусочки пазла, но одна из них удерживается третьей нитью, которая замедляет реакцию», — говорит Сун. «Это похоже на пружину, прижатую и удерживаемую на месте — энергия там, ждёт своего часа. Добавление катализирующей нити высвобождает блок, заставляя пружину внезапно распрямиться, а нити ДНК быстро соединиться, высвобождая накопленную энергию для продвижения системы вперёд».
Когда вы нагреваете пробирку с ДНК, а затем охлаждаете её, молекулы не всегда принимают наиболее стабильное расположение. Вместо этого — особенно когда у них есть сильные складчатые структуры — нагревание и охлаждение могут вернуть их в состояние с пружинным механизмом, готовые снова высвободить энергию.
Опираясь на две идеи — кинетические ловушки как накопители энергии и тепло как кнопку сброса — команда исследовала, можно ли использовать тепло в качестве универсального источника питания для сложных молекулярных схем. В их конструкции схемы выполняют свои задачи при комнатной температуре, расходуя энергию, накопленную в кинетических ловушках, подобно молекулярным «пружинам». Когда их задачи выполнены, систему можно перезарядить импульсом тепла, сбросив её и подготовив к следующему входному сигналу.
Дуэт показал, что этот перезаряжаемый метод можно применять для питания систем с совершенно разным поведением; в данном случае — в качестве нейронной сети и логической схемы. Эти две системы являются архетипами классических вычислений.
Важно отметить, что идея повторного использования с помощью кинетических ловушек не ограничивается теплом. «В принципе, любой источник энергии — свет, соли или градиенты кислот, подобные тем, что через клеточные мембраны, — может выполнять ту же роль, пока он может разрушать слабые связи между молекулами, позволяя им естественным образом возвращаться в свои ловушки», — говорит Цянь. «С помощью такого рода устойчивых вычислений мы можем начать разрабатывать молекулярные системы, которые не просто выполняют задачу один раз, но могут демонстрировать долгосрочное поведение, больше похожее на поведение живых систем — например, обучение и эволюцию».
«В долгосрочной перспективе такие постоянно работающие молекулярные машины, особенно те, которые обладают самоуправляемым обучением и эволюционирующими способностями, могут «жить» внутри повседневных материалов», — добавляет она.
«Представьте себе покрытие, нанесённое один раз на самолёт, которое постоянно отслеживает напряжение и устраняет трещины, чтобы обеспечить безопасность пассажиров год за годом. Или пару контактных линз, которые вы покупаете один раз, которые увлажняются и настраиваются для коррекции вашего зрения независимо от того, как оно меняется со временем. Или даже умный препарат, который вы принимаете один раз и который продолжает учиться бороться с новыми заболеваниями в течение всей жизни. То, что сейчас кажется лишь фантазией, может стать реальностью, если другие возьмут на вооружение нашу концепцию и продолжат работу в ближайшие десятилетия».
Предоставлено Калифорнийским технологическим институтом.