‘Velcro’ DNA折り紙がナノロボットのMeccano構築に貢献

December, 13, 2024, Sydney--Dr.Minh LuuとDr.Shelley Wickhamが開発したナノロボットは、標的を絞った抗ガン剤の展開、環境に応答する未来的な材料の作成、エネルギー効率の高い信号処理の作成に利用できる可能性がある。

シドニー大学ナノ研究所の研究者は、DNAオリガミを使用してカスタム設計されプログラム可能なナノ構造を開発することにより、分子ロボット工学の分野で大きな進歩を遂げた。

この革新的なアプローチは、標的とされた薬物送達システムから応答性材料、エネルギー効率の高い光信号処理まで、様々なアプリケーションで可能性を秘めている。この手法は、人間の生命の構成要素であるDNAの自然な折り畳み力を利用して、新しく有用な生物学的構造を作成するため、いわゆる「DNA折り紙」を使用する。

概念実証として、研究チームは「ナノ恐竜」、「踊るロボット」、人間の髪の毛の1000倍の幅150nmのミニオーストラリアなど、50以上のナノスケールの物体を作った。

この研究は、著名なロボット工学ジャーナル「Science Robotics」に掲載された。

筆頭著者のDr.Minh Tri Luuと研究チームリーダーのDr.Shelley Wickhamが主導するこの研究は、複雑な3次元構造に組み立てることができるモジュラーDNAオリガミ“voxels”の作成に焦点を当てている。(ピクセルが 2Dの場合、ボクセルは 3D で実現される)。

これらのプログラム可能なナノ構造は、特定の機能に合わせて調整できるため、様々な構成の迅速なプロトタイピングが可能になる。この柔軟性は、合成生物学、ナノメディシン、材料科学のタスクを実行できるナノスケールのロボットシステムを開発するために重要である。

理学部の化学部と物理学部と共同で役職に就いているDr. Wickhamは、「結果は、子供のエンジニアリング玩具であるMeccanoを使用したり、チェーンのような猫のゆりかごを作ったりするのと少し似ている」とコロナとした。「しかし、マクロスケールの金属やひもの代わりに、ナノスケールの生物学を使用して、大きな可能性を秘めたロボットを構築する。」

Dr.Luuは「われわれは、環境に応じて光学特性を変化させる適応材料から、ガン細胞を探し出して破壊するように設計された自律型ナノロボットまで、多様なアプリケーションを可能にし、調整可能な特性を持つ新しいクラスのナノ材料を作成した」と話している。
Velcro DNA
ボクセルを組み立てるために、チームはナノ構造の外側に追加のDNA鎖を組み込み、新しい鎖はプログラム可能な結合部位として機能する。

Dr.Luuは、「これらの部位は、異なる色のマジックテープのように機能する。これは、一致する「色」(実際には相補的なDNA配列)の鎖のみが接続できるように設計されている」と説明している。

同氏によると、この革新的なアプローチにより、ボクセルが互いに結合する方法を正確に制御でき、カスタマイズ可能で非常に特殊なアーキテクチャを作成できる。

この技術の最もエキサイティングなアプリケーションの1つは、体内の標的領域に直接薬物を送達できるナノスケールのロボットボックスを作成できる可能性である。DNAオリガミを使用することで、研究者はこれらのナノボットを特定の生物学的シグナルに応答するように設計し、必要なときに必要な場所でのみ薬が放出されるようにすることができる。この的を絞ったアプローチにより、副作用を最小限に抑えながら、ガン治療の有効性を高めることができる。

研究チームは、薬物送達に加えて、環境刺激に応答して特性を変化させることができる新材料の開発を模索している。たとえば、これらの材料は、より高い負荷に応答するように設計したり、温度や酸性(pH)レベルの変化に基づいて構造特性を変更したりできる。このような応答性材料は、医療、コンピューティング、エレクトロニクス業界を変革する可能性を秘めている。

「この研究により、ナノボットが人体の治療から未来的な電子デバイスの構築まで、幅広いタスクに取り組むことができる世界を想像することができる」(Dr Wickham)。

また、光信号の処理方法としてエネルギー効率に優れた方法を検討しており、画像検証技術の向上につながると期待されている。DNAオリガミのユニークな特性を利用することで、これらのシステムは光信号処理の速度と精度を向上させ、医療診断やセキュリティの技術を向上させる道を開くことができるで見込である。

化学科のポスドク研究員であるDr.Luuは、「われわれの研究は、DNAオリガミが多用途でプログラム可能なナノ構造を作成するという驚くべき可能性を示している。これらのコンポーネントを設計し、組み立てる能力は、ナノテクノロジーのイノベーションへの新たな道を切り開く」と話している。

Dr. Wickhamは、「この研究は、DNAナノ構造の能力を強調するだけでなく、科学を進歩させる上での学際的な協力の重要性も強調している。われわれの発見が、健康、材料科学、エネルギーにおける現実世界の課題にどのように適用できるかを見るのが楽しみだ」と話している。

研究者がこれらの技術を改良し続けるにつれて、人体内などの複雑な環境で動作できる適応型ナノマシンを作成する可能性がますます実現可能になってきていく。

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