روباتیک مولکولی با کمک موتور‌های DNA توسعه می‌یابد

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان نشان دادند که با استفاده از موتور حاوی رشته‌های DNA می‌توان، محاسبات منطقی و روباتیک مولکولی را وارد مرحله جدیدی از توسعه کرد. آزمایشگاه سالیتا، پیشرو در بیوفیزیک و فناوری نانو، اولین موتور غلتشی مبتنی بر DNA را در سال 2015 توسعه داد. این دستگاه 1000 برابر سریعتر از هر موتور مصنوعی دیگری بود و زمینه رو به رشد رباتیک مولکولی را به سرعت دنبال می‌کرد. سرعت بالای آن به یک میکروسکوپ تلفن هوشمند ساده اجازه می‌دهد تا حرکت آن را از طریق ویدئو ضبط کند. هنگامی‌که پیرانج در سال 2018 به آزمایشگاه سالیتا پیوست، شروع به کار بر روی پروژه‌ای کرد تا این موتور‌ها را با ایجاد منطق برنامه‌نویسی کامپیوتری به سطح بعدی از توسعه برساند. سلما پیرانج، از دانشگاه اموری، می‌گوید: «یکی از نوآوری‌های بزرگ ما، فراتر از واداشتن موتور‌های DNA برای انجام محاسبات منطقی، یافتن راهی برای تبدیل آن اطلاعات به سیگنال خروجی ساده است. هر کسی که تلفن همراه مجهز به دوربین در دست دارد، می‌تواند این سیگنال را بخواند.» خالد سالیتا، استاد شیمی در دانشگاه اموری، می‌گوید: «پیشرفت سلما موانع عمده‌ای را که بر سر راه مفید و کاربردی کردن کامپیوتر‌های DNA برای طیف وسیعی از کاربرد‌های زیست‌پزشکی قرار داشتند، از بین می‌برد.» موتور‌ها می‌توانند اطلاعات شیمیایی را در محیط خود حس کنند، اطلاعات را پردازش می‌کنند و سپس به آن پاسخ می‌دهند و برخی از ویژگی‌های اساسی سلول‌های زنده را تقلید کنند. سالیتا می‌گوید: «کامپیوتر‌های مبتنی بر DNA قبلی دارای حرکت جهت‌دار نبودند. اما برای انجام عملیات پیچیده‌تر، باید محاسبات و حرکت جهت‌دار را با هم ترکیب کنید. کامپیوتر‌های DNA ما روبات‌های مستقلی هستند که قابلیت‌های حسی دارند.» شاسی این موتور یک کره شیشه‌ای در ابعاد میکرون است. در طراحی این فناوری، صد‌ها رشته DNA یا به عنوان پا به کره (شاسی) متصل شوند. پیرانج می‌گوید: «این یک هدف اصلی در زمینه زیست پزشکی است که از DNA برای محاسبات استفاده کند. من عاشق این ایده هستم که از چیزی که در همه ما ذاتی است برای مهندسی اشکال جدید فناوری استفاده کنیم. DNA مانند یک تراشه کامپیوتری زیستی است که حجم وسیعی از اطلاعات را ذخیره می‌کند. واحد‌های اصلی عملیات برای محاسبه DNA رشته‌های کوتاه DNA مصنوعی هستند. محققان می‌توانند "برنامه" DNA را با تغییر توالی AGTC روی رشته‌ها تغییر دهند.» با این حال، محدودیت‌ها در زمینه نوپای محاسبات DNA باقی مانده است. یک مانع کلیدی این است که خروجی محاسبات به راحتی قابل خواندن باشد. روش‌های کنونی به شدت بر برچسب‌گذاری DNA با مولکول‌های فلورسنت و سپس اندازه‌گیری شدت نور ساطع شده در طول‌موج‌های مختلف متکی هستند. این فرآیند به تجهیزات گران قیمت و دست و پا گیر نیاز دارد. آن را نیز محدود می‌کند. پیرانج اگرچه به عنوان شیمیدان آموزش دیده بود، اما شروع به یادگیری اصول اولیه علوم کامپیوتر و ورود به ادبیات مهندسی زیستی کرد تا سعی کند بر این مانع غلبه کند. او ایده استفاده از یک واکنش شناخته شده در مهندسی زیستی را برای انجام محاسبات و جفت کردن آن با حرکت موتور‌های غلتشی مطرح کرد. این واکنش که به عنوان جابجایی رشته با واسطه انگشت پا شناخته می‌شود، روی DNA دو رشته‌ای رخ می‌دهد. رشته‌ها یکدیگر را محکم در آغوش می‌گیرند. موتور نورد را می‌توان با پوشش دادن آن با DNA دورشته‌ای که مکمل یک هدف DNA است، یک توالی مورد علاقه، برنامه‌ریزی کرد. هنگامی‌که این موتور مولکولی در حالی که در امتداد مسیر RNA خود می‌چرخد با هدف DNA روبرو می‌شود، هدف DNA به قسمت انگشتی DNA دورشته‌ای متصل می‌شود، آن را از هم جدا می‌کند و موتور را در جای خود می‌چسباند. این دو گیت منطقی اصلی «حرکت» یا «بدون حرکت» را می‌توان برای ساخت عملیات پیچیده‌تر به هم چسباند، شبیه اینکه چگونه برنامه‌های کامپیوتر‌ی معمولی بر روی دروازه‌های منطقی «صفر» یا «یک» ساخته می‌شوند. آزمایشگاه سالیتا در حال کار برای ایجاد همکاری با دانشمندان در مرکز آتلانتا برای فناوری‌های نقطه مراقبت مهندسی شده میکروسیستم‌ها است. آن‌ها در حال بررسی پتانسیل استفاده از فناوری محاسبات DNA برای تشخیص خانگی کووید 19 و سایر نشانگر‌های زیستی بیماری هستند.