Искусственный метаболизм и движение против течения

Ученые создали метод управления движением биополимерных микрочастиц, находящихся в жидкой среде. В их состав входят ДНК-линкеры, которые обладают свойством создавать структуры с заданными свойствами. Предполагается, что такой метод поможет нам в будущем в разработке нанороботов, имеющих склонность к самостоятельной регенерации.

Основан этот метод на принципе искусственного метаболизма, который представляет особый управляемый процесс полимеризации и гидролиза ДНК. Можно сказать, что это некий молекулярный мотор, в котором происходит взаимодействие между ДНК и ферментами. Химические реакции, возникающие в процессе такого взаимодействия, приводят искусственно созданную систему в движение. Причём частицы способны двигаться даже против внешнего потока. Для этого ученые задают заранее составленный маршрут, а реакция синтеза РНК делает остальное. Подобное движение вряд ли может быть названо «живой системой» — все-таки самостоятельные решения о передвижении, изменении маршрута и структуры микрочастицы принимать не могут.

Чтобы система работала, молекулярные роботы на основе ДНК, будучи помещенные в среду с искусственным метаболизмом, были дополнены двумя ферментами. В процессе метаболизма, который состоит из искусственного анаболизма и искусственного катаболизма, они либо образовывали длинные цепочки ДНК из фрагментов, либо разбирали их на кусочки. Чтобы лучше контролировать процесс образования и распада структур из белковых молекул или наночастиц, учёные соорудили специальное испытательное оборудование — микрофлюидные устройства, имеющие три канала ввода компонентов. Жидкости в таком оборудовании обтекают специальные массивы вертикальных колонн и формируют устойчивые потоки. В таких потоках легко контролировать концентрацию нужных ферментов. Так, например, используя ДНК-гидролазы, ученые могут разрушать нити связанного ДНК-линкерами полимера, а при введении ДНК-полимеразы — вновь собирать. Благодаря этому методу можно контролировать и менять структуру определенного материала.

Последующий эксперимент позволил наглядно показать принципы управления движением биополимерных частиц: учёные смешали три раствора (собирающий, разрушающий и с перекурсорами), и таким образом заставили искусственно собранного из биополимерного материала слизевика ползти против основного направления движения жидкости. Выглядело это примерно так: слизевик двигался за счёт того, что перед собой производил разбор материала, перемещался вперед и затем совершал полимеризацию материала позади себя. От скорости такого процесса зависит скорость передвижения. Подобная система при своём усовершенствовании в будущем может послужить хорошим основанием для создания искусственных биологических систем с автономной жизнеспособностью и регенерацией.