Исследователи из Университета Северной Каролины создали микроскопических мягких роботов в форме цветов, которые могут менять форму и поведение в зависимости от окружающей среды, как это делают живые организмы. Крошечные «цветы из ДНК» состоят из особых кристаллов, образованных в результате соединения ДНК и неорганических материалов. Они могут сворачиваться и разворачиваться за считаные секунды, что делает их одними из самых динамичных материалов, когда-либо созданных в таком масштабе.
ДНК каждого цветка действует как крошечная компьютерная программа, которая сообщает цветку, как двигаться и реагировать на окружающий мир. При изменении среды, например при повышении или понижении кислотности, цветок может раскрыться, закрыться или запустить химическую реакцию. Это значит, что однажды роботы на основе ДНК смогут самостоятельно выполнять различные задачи — от доставки лекарств до очистки от загрязнений.
«Люди были бы рады иметь умные капсулы, которые автоматически активировали бы лекарство при обнаружении болезни и прекращали его действие при выздоровлении. Это возможно благодаря нашим материалам, меняющим форму, — говорит доктор Ронит Фриман, старший автор статьи. — В будущем можно создавать глотаемые или имплантируемые цветы, меняющие форму, чтобы доставлять лекарства в нужное место, проводить биопсию или удалять тромбы».
Идея была навеяна природными процессами, такими как распускание лепестков, пульсация кораллов и формирование тканей в живых организмах. Исследователи хотели воспроизвести эти сложные процессы в искусственных материалах. Задача долгое время ставила в тупик учёных, работающих с микроскопическими масштабами. «Мы черпаем вдохновение в природных формах и воплощаем их в технологиях, которые однажды смогут самостоятельно думать, двигаться и адаптироваться», — сказал Фримен.
Ключ к их успеху — в том, как устроена ДНК внутри кристаллов в форме цветка. Когда окружающая среда становится более кислой, части ДНК плотно сворачиваются, и цветок закрывается. Когда условия возвращаются в норму, ДНК распрямляется, и лепестки снова раскрываются. Это простое, но мощное движение можно использовать для управления химическими реакциями, переноса и высвобождения молекул или взаимодействия с клетками и тканями.
Несмотря на то, что технология всё ещё находится на ранней стадии тестирования, разработчики видят захватывающие перспективы её применения. Однажды «цветы» из ДНК можно будет вводить в организм, и они будут перемещаться к опухоли. Попав туда, цветы будут реагировать на кислотность опухоли, смыкая лепестки и высвобождая лекарство или забирая крошечный образец ткани. Когда опухоль рассосётся, «цветы» раскроются и деактивируются, чтобы снова среагировать в случае рецидива заболевания.
Помимо медицины, эти «умные» материалы можно использовать для ликвидации последствий экологических катастроф: они будут выделять чистящие вещества в загрязненную воду, а затем бесследно растворяться. Изобретение может хранить огромные объемы цифровой информации — до двух триллионов гигабайт — всего в чайной ложке, предлагая более экологичный и эффективный способ хранения, чтения и записи данных.
Открытие знаменует собой важный шаг на пути к созданию материалов, способных чувствовать окружающую среду и реагировать на неё, что позволит преодолеть разрыв между живыми системами и машинами. Научная статья доступна онлайн в журнале Nature Nanotechnology.
[Фото: Justin Hill, Philip Rosenberg, and Ronit Freeman / University of North Carolina at Chapel Hill]
