Wetenschappers hebben een autonome sorteerhulp op moleculaire schaal ontwikkeld. Handig voor bij het maken van nieuwe medicijnen of bij recycling.
Stel je een robot voor die alle vervelende sorteerklusjes uit handen neemt. Hij hangt je broeken op de juiste plek in de kledingkast, zet de afgewassen borden in de goede keukenlade en sorteert je boeken in de boekenkast op genre. Zo’n sorteerhulp in huis bestaat helaas nog niet, maar wetenschappers van het California Institute of Technology zijn er wel in geslaagd eentje op moleculaire schaal te maken. Deze DNA-robot ‘loopt’ helemaal zelf, pikt moleculen op en dropt deze op de daarvoor bestemde plekken.
Voeten en een hand
De nanomachine is eigenlijk een enkele streng DNA. Hij bestaat uit drie onderdelen: een ‘been’ met daaraan twee ‘voeten’ om te kunnen ‘lopen’; een ‘arm’ met een ‘hand’ om bagage te pakken; en een segment dat een drop-off site herkent en het signaal geeft om het molecuul af te leveren. Elk component bestaat uit een paar nucleotiden, de bouwstenen van DNA.
Hoofdonderzoeker Lulu Qian en haar team lieten de DNA-robots gele en roze fluorescente moleculen sorteren. In totaal zes fluorescente moleculen werden juist verdeeld over twee regio’s in minder dan 24 uur. Zonder dat de wetenschappers ook maar één keer hoefden te helpen. Hoe meer robots aan het werk waren, hoe sneller het sorteerproces was afgerond.
Bovendien is het volgens Qian mogelijk om de machientjes wel tientallen verschillende soorten bagage te laten sorteren. Ook zijn er meerdere types robotjes te maken, elk met hun eigen sorteertaak, die parallel hun klusje kunnen klaren.
Ritsen en ontritsen
Best indrukwekkend, maar hoe werkt zo’n sorteerrobot nu eigenlijk? De basis daarvoor ligt in het feit dat DNA programmeerbaar is. DNA bestaat uit vier types nucleotiden, met de letters A, T, C en G. De nucleotiden vormen paren: A past op T en C past op G. Op een enkele DNA-streng met de volgorde TTAGC past dan bijvoorbeeld een enkele streng met AATCG. Samen ‘ritsen’ de aanvullende DNA-strengen zo tot een dubbele helix.
Soms zijn de twee strengen maar gedeeltelijk aanvullend en is het geheel dus maar gedeeltelijk geritst. Maar wanneer je de juiste enkele DNA-streng erbij doet, is deze in staat om zo’n gedeeltelijk geritste helix weer open te laten ritsen. De snelheid waarmee dit rits/ontrits-proces gebeurt en hoeveel energie dat vergt, kan worden berekend. En daarmee kan dan precies de snelheid van de robot worden ingesteld.
Ook kan de juiste lengte van de enkele DNA-streng of de gedeeltelijk geritste dubbele helix worden berekend en daarmee de lengte van been en voeten van de robot. In dit geval zijn de passen van de DNA-robot 6 nanometer groot, ongeveer een honderd miljoenste van een menselijke pas.
Peg board verkennen
De onderzoekers lieten de machientjes een soort moleculair pegboard (een gereedschapsbord zoals in de garage) verkennen. Op dit bord zijn de pegs enkele DNA-strengen die complementair zijn met het been en de voeten van de nanorobot.
De DNA-robot bindt met zijn been en een voet aan zo’n peg. De andere voet zweeft vrij. Maar wanneer deze vrije voet een andere peg vindt, dan bindt hij daaraan en wordt de hele robot naar de nieuwe peg getrokken, waarbij de voet los ritst van de oude peg. Op deze manier ‘wandelt’ het robotje al ritsend en ontritsend een willekeurige route over het pegboard.
Komt hij onderweg een fluorescent molecuul tegen, dan wordt deze aangetrokken tot de hand. De bagage wordt dan meegenomen tot het signaal wordt gegeven voor loslaten; dit is wanneer een bepaald stukje van de robot ritst met een bepaalde peg.
Medicijnen maken en recyclen
Voor nu hebben Qian en haar collega’s nog geen direct toepassingen voor de DNA-robot op het oog. Maar ze hopen dat andere wetenschappers de principes gaan gebruiken voor specifieke doeleinden. Daarbij kun je volgens het onderzoeksteam denken aan het synthetiseren van nieuwe geneesmiddelen door onderdelen bij elkaar te zoeken in een kunstmatige moleculaire fabriek.
Ook kunnen medicijnen in het bloed heel precies worden afgeleverd op plaats van bestemming in het lichaam na een bepaald signaal. En een laatste mogelijkheid is het sorteren van moleculaire componenten in afval voor recycling. Een handige sorteerhulp voor elke moleculaire wetenschapper dus!
Perpetuum mobile
Bio-nanotechnologen Richard Schasfoort en Joost Swennenhuis (beiden Universiteit Twente) zijn onder de indruk van de studie. “De manier waarop het ‘lopen’ en sorteren gebeurt, lijkt wel een soort perpetuum mobile, een apparaat dat uit zichzelf in beweging blijft zonder dat je energie hoeft toe te voegen”, schrijven ze in een gezamenlijke reactie. “De onderzoekers laten op briljante wijze zien hoe je kleine DNA-moleculen kunt gebruiken om bagage te vervoeren en op specifieke plekken los te laten.”
Ze zijn het overigens niet eens met de toepassing van medicijnlevering in het lichaam. “Deze DNA-robots moeten naar ons idee juist afgeschermd worden van de harsh environment van eiwitten en enzymen in het bloed.”
Bronnen: Science, Caltech via EurekAlert!, AAAS
Beeld: Ella Maru Studio (www.scientific-illustrations.com) en Demin Liu (www.molgraphics.com)
Lees ook:
Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Bestel dan hier ons nieuwste nummer. Abonnee worden? Dat kan hier!