Умная материя: разработка микроскопических роботов-цветов

Исследовательская группа из Университета Северной Каролины совершила прорыв в области нанотехнологий, создав микроскопических мягких роботов в форме цветов, которые демонстрируют беспрецедентную способность динамически менять свою форму и поведение в ответ на изменения окружающей среды. Эта работа, опубликованная в журнале Nature Nanotechnology, знаменует собой значительный шаг в создании материалов, которые имитируют свойства живых организмов, такие как движение, адаптация и выполнение специфических функций.

Основу этих крошечных структур, названных «ДНК-цветами», составляют гибридные кристаллы, синтезированные из молекул ДНК и неорганических материалов. Ключевой особенностью этих роботов является их обратимая трансформация — способность складываться и разворачиваться в течение считанных секунд. Эта динамичность выводит их в ряд самых быстродействующих искусственных материалов, созданных в наномасштабе.

Принцип их работы основан на том, что ДНК в каждом таком «цветке» функционирует как запрограммированный биологический компьютер. Она считывает изменения во внешней среде, в частности колебания уровня кислотности (pH), и запускает соответствующий механический ответ: цветок может раскрываться, закрываться или инициировать определенную химическую реакцию.

Как пояснил старший автор исследования Ронит Фриман, вдохновением для проекта послужили сложные природные процессы, такие как распускание лепестков, пульсация морских кораллов и морфогенез живых тканей. Задача воспроизведения этих процессов в искусственных микроскопических материалах долгое время оставалась нерешенной проблемой для ученых. Успех команды из Северной Каролины обусловлен инновационным подходом к организации молекул ДНК внутри кристаллической структуры.

Механизм реакции довольно элегантен: при повышении кислотности среды определенные участки ДНК-цепочек плотно сворачиваются, что вызывает механическое закрытие всего цветка. Когда кислотность возвращается к нормальным значениям, ДНК расслабляется, и лепестки снова раскрываются. Это простое, но управляемое движение открывает возможности для манипулирования химическими процессами, такими как перенос и высвобождение молекул, а также для взаимодействия с биологическими системами, например, с клетками и тканями.

Хотя технология находится на ранней стадии разработки, ее потенциальные области применения выглядят крайне перспективными. В медицине, как предполагают исследователи, в будущем могут быть созданы проглатываемые или имплантируемые микророботы. Попадая в организм, такой ДНК-цветок мог бы достичь целевой области, например, опухоли, и в ответ на ее специфическую кислую среду открыться, высвободив терапевтический препарат или взяв микроскопический образец ткани для биопсии.

После уменьшения или исчезновения опухоли и нормализации pH цветок закрылся бы, деактивируясь и будучи готовым к реакции на возможный рецидив заболевания. Это открывает путь к созданию интеллектуальных терапевтических систем, которые автоматически активируются при обнаружении болезни и прекращают действие после выздоровления.

Помимо медицины, умные материалы на основе ДНК-кристаллов могут найти применение в экологии. Их можно было бы использовать для ликвидации последствий загрязнений, например, выделяя очищающие агенты в загрязненную воду с последующим безопасным саморастворением после выполнения задачи. Еще одной впечатляющей областью применения является хранение цифровой информации. Благодаря огромной плотности данных, которую может вместить ДНК, всего в одной чайной ложке подобного материала теоретически можно хранить до двух триллионов гигабайт информации, что предлагает потенциально более эффективный и экологичный способ хранения данных в будущем.

В целом, данный прорыв представляет собой важную веху на пути к созданию «умных» материалов, способных к автономному восприятию, реакции и адаптации. Эта разработка существенно сокращает разрыв между живыми биологическими системами и машинами, открывая новые горизонты для персонализированной медицины, наноробототехники и устойчивых технологий.