Исследователи из Университета Северной Каролины создали микроскопических мягких роботов в форме цветов, которые могут изменять свою форму и поведение в ответ на окружающую среду, подобно живым организмам. Эти крошечные «цветы из ДНК» изготовлены из специальных кристаллов, образованных путём объединения ДНК и неорганических материалов. Они могут обратимо складываться и раскрываться за секунды, что делает их одними из самых динамичных материалов, когда-либо разработанных в таких малых масштабах.
Работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.
ДНК каждого цветка действует как крошечная компьютерная программа, управляя его движением и реакцией на окружающий мир. Когда окружающая среда меняется, например, повышается или понижается кислотность, цветок может открываться, закрываться или запускать химическую реакцию. Это означает, что такие роботы на основе ДНК однажды смогут выполнять задачи самостоятельно: от доставки лекарств до очистки от загрязнений.
«Люди хотели бы иметь умные капсулы, которые автоматически активировали бы лекарства при обнаружении болезни и прекращали бы их действие после выздоровления. В принципе, это возможно с помощью наших материалов, изменяющих форму», — сказала доктор Ронит Фриман, старший и ответственный автор статьи и директор лаборатории Фримана в UNC.
«В будущем проглатываемые или имплантируемые цветы, изменяющие форму, могут быть разработаны для доставки целенаправленных доз лекарств, проведения биопсии или устранения тромбов», — добавила она.
Идея была вдохновлена естественными процессами, такими как распускание лепестков цветов, пульсация кораллов и формирование тканей в живых организмах. Исследователи хотели имитировать это сложное поведение в искусственных материалах, что долгое время ставило в тупик учёных, работающих в микроскопических масштабах.
«Мы черпаем вдохновение из природных конструкций, таких как распускающиеся цветы или растущие ткани, и переводим их в технологии, которые однажды смогут думать, двигаться и адаптироваться самостоятельно», — сказал Фриман.
Ключ к их успеху — то, как ДНК устроена внутри кристаллов в форме цветов. Когда окружающая среда становится более кислой, части ДНК плотно сворачиваются, заставляя цветок закрываться. Когда условия возвращаются в норму, ДНК расслабляется, и лепестки снова открываются. Это простое, но мощное движение можно использовать для управления химическими реакциями, переноса и высвобождения молекул или взаимодействия с клетками и тканями.
Хотя технология всё ещё находится на стадии тестирования, команда представляет себе захватывающие перспективы её использования в будущем. Однажды эти цветы из ДНК можно будет вводить в организм, где они будут перемещаться к опухоли.
Оказавшись там, кислотность опухоли может заставить лепестки закрыться, высвобождая лекарство или беря крошечный образец ткани. Когда опухоль рассосётся, цветы снова откроются и деактивируются, готовые снова ответить, если болезнь вернётся.
Помимо медицины, эти умные материалы можно использовать для ликвидации последствий экологических катастроф, выпуская чистящие средства в загрязнённую воду, а затем безвредно растворяясь, когда работа выполнена. Они могут даже хранить огромные объёмы цифровой информации — до двух триллионов гигабайт всего в одной чайной ложке, предлагая более экологичный и эффективный способ хранения, чтения и записи данных в будущем.
Этот прорыв знаменует собой важный шаг к созданию материалов, которые могут ощущать окружающую среду и реагировать на неё, преодолевая разрыв между живыми системами и машинами.
Предоставлено Университетом Северной Каролины в Чапел-Хилл.