211service.com
„Pasidaryk pats“ nanotechnologijos
Nors mokslininkai jau manipuliavo atomais, kad raidės būtų pakankamai mažos, kad ant smeigtuko galvos tilptų visi Encyclopedia Britannica žodžiai, ir surinko elementarius molekulinius kompiuterius ir mašinas, šie žygdarbiai tebėra naujovės, kurių kūrimas priklauso nuo sudėtingų ir brangių metodų.
Dabar Paulius Rothmundas , Caltech kompiuterių mokslininkas, turintis biologijos išsilavinimą, sukūrė palyginti nebrangų būdą, kaip greitai sukurti ir sukurti savavališkas formas ir raštus naudojant DNR – ir, anot jo, tai pakankamai paprasta naudoti vidurinių mokyklų studentams. Kadangi su DNR gali būti susietos įvairios molekulės ir nanodalelės, šis metodas galėtų būti būdas greitai modeliuoti tokius įvairius komponentus kaip baltymai ir puslaidininkiniai nanovamzdeliai, todėl gali būti sukurti smulkūs elektroniniai prietaisai arba įrenginiai, skirti ląstelėms tirti precedento neturinčiu detalumo lygiu.
[Spustelėkite čia, norėdami pamatyti kai kurių šių savarankiškai surinktų DNR formų vaizdus.]
Tai tikrai įspūdingas darbas. Aš labai tuo džiaugiuosi, sako Viljamas Šihas , Harvardo medicinos mokyklos biologinės chemijos ir molekulinės farmakologijos profesorius, kuris dabar siekia išplėsti Rothemundo techniką kuriant trimačius struktūras. Jis sako, kad Rothemundo darbas perėmė nedidelę DNR nanotechnologijų sritį ir atvėrė jai tapti pagrindine priemone, nes ji tapo vienu ar dviem dydžiais pigesnė ir lengviau atliekama.
Nadrianas Seemanas Niujorko universiteto chemikas, pradėjęs naudoti DNR sudėtingoms formoms konstruoti, sako: „Pakeldamas mastelį jis gali sukurti sudėtingesnius ir didesnius modelius, nei buvo praktiška taikant ankstesnius metodus. Tai jaudinanti pažanga, kuri gali pakeisti modelio formavimąsi tokiu mastu.
Taikant Rothemundo metodą, ilga DNR grandinė slenka pirmyn ir atgal, kol suformuoja norimą formą. Raktas, kad DNR susidarytų tokiu būdu ir išlaikytų ją vietoje, yra trumpos DNR kabės, kurių sekos parinktos prisijungti prie konkrečių ilgos grandinės dalių. Rothemundas padalija ilgą sruogą į dalis; tada prie 86 ir 112 dalių gali būti pritvirtintas segtukas, pavyzdžiui, sujungdamas juos ir sukeldamas ilgos sruogos sulankstymą. Pora šimtų unikalių segtukų gali sulenkti DNR į reikiamą formą.
Kompiuterinė programa pasirūpina, kad būtų identifikuotos kabės, kurių reikia. Aš projektuoju [struktūrą], kurios noriu kompiuteryje, sako Rothmundas. Jis išspjauna 250 DNR sekų rinkinį. Aš juos užsakau; jie ateina paštu krūva mažų vamzdelių. Sumaišau juos kartu [kartu su ilga DNR grandine], įdedu šiek tiek druskos, pakaitinu iki virimo ir atvėsinu iki maždaug kambario temperatūros, o tada viskas. Sumaišius, DNR grandinės susirenka į norimą struktūrą.
Tokie savaiminio surinkimo metodai gali būti naudojami kuriant bet kokią formą ar raštą, kurių skersmuo yra 100 nanometrų arba mažesnis, o ypatybės yra maždaug 6 nanometrų atstumu viena nuo kitos. Palyginimui, raudonųjų kraujo kūnelių skersmuo yra apie 7000 nanometrų. Šiandien žurnale pasirodo straipsnis, aprašantis Rothemundo darbą Gamta demonstruoja technikos universalumą šypsenėlių, kvadratų, trikampių ir žvaigždžių nuotraukomis (spausti čia). Tačiau Rothemundas taip pat gali sukurti sudėtingus šių formų raštus – pavyzdžiui, jis nupiešė 1:200 trilijono mastelio Vakarų pusrutulio žemėlapį, kuris galėtų tilpti ląstelės viduje.
Pasak Rothemundo, kiekvienos konstrukcijos projektavimas užtruko apie savaitę. Po to trilijonai kopijų savaime susirenka vos per kelias valandas – toks gamybos greitis yra viena iš savybių, dėl kurių savaiminis surinkimas yra toks patrauklus.
Tačiau šiuo metu ši technika yra sprendimas ieškant problemos. Tačiau Rothmundas ir kiti, pavyzdžiui, Shih, tikisi, kad netrukus bus pritaikytos praktikos, nes mokslininkai sužinos, kaip paprasta ši technika, ir randa būdų, kaip ją pritaikyti konkrečioms problemoms spręsti. Viena iš galimybių yra elektroninių prietaisų modeliavimas mažesniu mastu, nei įmanoma naudojant šiandieninius optinės litografijos metodus. Tomas LaBeanas Duke universiteto chemikas ir kompiuterių mokslininkas, sukūręs kitą bendrosios paskirties DNR savaiminio surinkimo metodą, kuris yra šiek tiek sunkesnis ir mažesnės skiriamosios gebos nei Rothemundo, kuria vieno elektrono tranzistorius su DNR modeliu, kurie galėtų būti komponentai. tokiam įrenginiui.
Tačiau prieš pasirodant šiuo metodu naudojantiems prietaisams, liko didelių iššūkių. Savaiminio surinkimo atveju yra būdingas klaidų lygis, sako Harvardo Shih. Pavyzdžiui, skirtingai nei šiuolaikiniai kompiuteriai, savarankiškai surinkti kompiuteriai turės aptikti neveikiančius komponentus ir juos apeiti. Be to, daugeliui programų reikės didesnių modelių, nei iki šiol sukūrė Rothemundas. Vienas iš galimų šios problemos sprendimo būdų, kurį Rothemundas jau bandė su ribota sėkme, yra mažesnių formų derinimas naudojant DNR grandines, panašiai kaip ląstelės susijungia, kad sukurtų organizmą, aiškina jis.
Be to, nors naujoji technika yra prieinama laboratorijoms, ji dar nėra pakankamai pigi birių medžiagų gamybai. Tačiau jau parodytas savarankiškas surinkimas gali būti praktiškas kuriant nanogardelius, galinčius išmatuoti tikslų pavienių ląstelių turinį, sako Shih, leisdamas biologams geriau išmokti atskirų ląstelių, pavyzdžiui, nervų sistemos, vaidmenis.
Tiesą sakant, apie geriausią programą dar nebuvo pagalvota. Nesijaučiu nuliūdęs, kad dar neradome itin žudančių programų, sako Shih. Mums tiesiog nepavyko surinkti trilijonus molekuliškai tikslių prietaisų. Ir dabar staiga turime šį metodą, kur galime tai padaryti už prieinamą kainą. Neaišku, kokios bus tos išmokos, bet mes visi jaučiame, kad jie yra.
Loidas Smitas , chemikas iš Viskonsino universiteto, Madisonas, ir komentaro apie darbą autorius Gamta , rašė: Dabar mus galbūt labiau riboja mūsų vaizduotė nei mūsų galimybės.