Молекулярный робот: Учеными создан автономный молекулярный робот

Содержание

Учеными создан автономный молекулярный робот

Прогресс в конечном счете может привести к молекулярным системам, которые могут в один прекрасный день использоваться для медицинских терапевтических аппаратов и реконфигурируемых роботов — машин, которые состоят из многих простых единиц, что могут изменяться или даже восстановить себя для выполнения различных задач.

Документ с описанием работы появится в текущем выпуске журнала Природа.

  Традиционным взглядом на робота является то, что это «машина, которая чувствует свою окружающей среду, принимает решение, а потом что-то делает», говорит Эрик Уинфри, адъюнкт-профессор компьютерных наук, вычислений и нервных систем, а также начальник в биоинженерии Caltech.

Милан Н. Стоянович, преподаватель в Отделе экспериментальной терапии в Колумбийском университете, руководил проектами совместно с Уинфри и Хао Ян, профессором химии и биохимии в университете штата Аризона и экспертом в области ДНК-нанотехнологий, а также с Нильсом Вальтером, профессором химии и директором SMART в Университете штата Мичиган в Анн-Арбор.

Сокращение роботов вплоть до молекулярного масштаба будет предоставлять для молекулярных процессов, такие же выгоды, что и классическая робототехника и автоматизация обеспечивает на макроскопическом  масштабе. Молекулярные роботы, в теории, могут быть запрограммированны на анализ окружающей среды (например, наличие заболеваний клетки), выявление решения (нейтрализацию раковых клеток), и действие (доставка груза, убивающего рак).

Или, как роботы в современном заводе, они могут быть запрограммированы для сборки сложных молекулярных продуктов. Мощность робототехники заключается в том, что после программирования, роботы могут выполнять свои функции самостоятельно, без дополнительного вмешательства человека.

Однако, каким образом запрограммировать молекулы для выполнения сложного поведения?

«В обычных роботах, робот сам содержит знания о командах, но с отдельными молекулами, вы не можете хранить такое количество информации, поэтому идея заключается в хранении команд извне, говорит Вальтер.

«Мы смогли создать такую запрограммированную машину с использованием ДНК-оригами», объясняет Ян. ДНК-оригами, изобретение старшего научного сотрудника Павла Ротемунда из Калифорнийского технологического института, представляет собой тип самоорганизующихся структуры из ДНК, которые могут быть запрограммированы на вид почти безграничных форм и моделей (например, улыбающиеся лица или карты Западного полушария или даже электрические диаграммы).

Исследователи построили следы молекулярных «хлебных крошек» на трассе ДНК-оригами закрепив дополнительные одноцепочечные молекулы ДНК, или олигонуклеотиды. Они представляют собой сигналы, которые говорят молекулярному роботу, что делать — начать ходить, повернуть налево, повернуть направо, или остановиться, сродни командам для традиционных роботов.

Молекулярный робот, которого решили использовать ученые, был изобретен Стояновичем несколько лет назад, в это же время было показано, что он способен на длительное, но ненаправленное, случайное блуждание на 2-мерной поверхности, «питаясь» в областях с «хлебными крошками».

«Можно предоставить поисковому роботу лекарства и связь с 2-мерной поверхностью, и он сможет самостоятельно лечить болезни».

Такие возможности чрезвычайно интригуют, однако до них еще десятилетия разработок. «Это может быть и через 100 лет в будущем», говорит Стоянович. «Мы так далеки от этого прямо сейчас».

———-

Для регистрации сделок можно использовать УПД. Универсальный передаточный документ помогает вам сразу несколько сделок отобразить в этом документе. Не нужно создавать отдельные чеки-фактуры, теперь все можно разместить в одном документе.

Родился первый в мире молекулярный робот, который может помочь строить другие молекулы.

Ученые из Манчестерского университета в Соединенном Королевстве создали первого в мире молекулярного робота, способного выполнять базовые задачи, такие как создание других молекул. Такие миниатюрные роботы имеют размер всего одну миллионную миллиметра, и они могут использовать роботизированные руки для создания молекулярного груза с помощью инструкций.

Этот робот состоит из 150 атомов углерода, атомов водорода, атомов кислорода и атомов азота, и каждый человек может управлять одной молекулой. Мы можем сравнить их размеры: сложены десятки миллиардов роботов размером примерно с крупицу соли.

Эти роботы создаются путем химических реакций в специальных растворителях. Ученые манипулируют ими и редактируют их для выполнения основных задач. В будущем таких роботов можно будет использовать в медицине и на производстве денег, а также можно будет строить молекулярные фабрики и сборочные линии.

За это исследование отвечал доктор Дэвид Ли, профессор Химической школы Манчестерского университета, который объяснил, что вся материя состоит из молекул, а атомы являются основными строительными блоками молекул. Наш робот — это молекулярный робот, вроде собирающего роботов из Лего, но мы используем атомы. Ученые программируют, добавляя химические таблетки, чтобы они могли выполнить ряд простых инструкций. Назначение этих роботов аналогично назначению роботов на конвейере сборки автомобилей.

Наши молекулярные роботы могут быть запрограммированы на размещение и фиксацию деталей по-разному для создания различных продуктов, но все это происходит на меньшем молекулярном уровне.

Преимущество таких молекулярных роботов заключается в том, что они очень малы, поэтому они значительно снижают требования к материалам, они также могут ускорять и улучшать доставку лекарств и устранять потребность в электричестве, а также могут быстро увеличивать миниатюризацию других продуктов. Таким образом, потенциальные применения этого типа молекулярного робота очень обширны и очень интересны.

Доктор Ли сказал, что молекулярные роботы представляют собой окончательную форму миниатюризации машин, и наша цель — разработать самый маленький из возможных роботов. Это только начало.Мы ожидаем, что в ближайшие 10-20 лет молекулярные роботы начнут собирать молекулы и материалы на конвейерах молекулярных фабрик.

Исследователи заявили, что создавать таких микророботов и управлять ими очень сложно, а технология, используемая исследовательской группой, основана на единственном химическом процессе.

Доктор Ли добавил, что эти роботы собираются и управляются с помощью химических процессов, которые включают взаимодействие между молекулами и атомами, а также научные принципы построения больших молекул из малых молекул.

Доктор Ли считает, что это тот же самый процесс, при котором ученые используют одно химическое вещество для производства лекарств и пластмасс. Поэтому, когда такие нанороботы будут изготовлены, ученые будут давать инструкции, вводя химические вещества, как компьютерную программу, чтобы эти роботы знали, когда какие задачи выполнять.

Эта статья воспроизводится с сайта ATYUNискуственный интеллектМедиа-платформа, исходная ссылка:Родился первый в мире молекулярный робот, который может помочь строить другие молекулы.

больше рекомендаций

MIT пытается научить искусственный интеллект «пугать»

Талантов в области искусственного интеллекта не хватает. Google, Facebook и т. Д. Пополнили ряды «захватывающих» людей.

Инженеры TensorFlow поделились недавним прогрессом в инновациях TensorFlow Serving.

NVIDIA выпустила новую систему искусственного интеллекта, с помощью которой можно делать n поддельных фотографий

Понимание генеративных состязательных сетей: как подделать лица известных людей

Добро пожаловать, чтобы подписаться на официальный публичный аккаунт ATYUN, пожалуйста, обращайтесь по электронной почте: [email protected] для делового сотрудничества и отправки контента.

 

Создан первый в мире «молекулярный робот», способный строить молекулы

Ученые из Университета Манчестера создали первого в мире «молекулярного робота», способного выполнять задачи на молекулярном уровне, в том числе и строительство других молекул. Эти крошечные роботы, размер которых не превышает одну миллионную долю миллиметра, могут быть запрограммированы на передвижение и строительство молекулярного груза с использованием крошечного роботизированного манипулятора. Каждый робот способен манипулировать отдельными молекулами и состоит из 150 атомов водорода, кислорода и азота. Для сравнения: нужно сложить миллиард миллиардов таких роботов, чтобы они стали одного размера с гранулой соли.

Роботы работают, перенося химические реакции в специальных растворах, которыми можно управлять и которые можно программировать для выполнения базовых задач. В будущем таких роботов можно будет использовать в медицинских целях, в промышленности и даже для создания молекулярных фабрик и конвейеров. Исследование было опубликовано в Nature 21 сентября.

Профессор Дэвид Ли, руководивший исследованием в химической школе при университете, объясняет так: «Все вещество состоит из атомов, а они являются кирпичиками, которые формируют молекулы. Наш робот – это буквально молекулярный робот, собранный из атомов, будто обычный робот – из кирпичиков LEGO. Робот отвечает на ряд простых команд, которые программируются посредством химических вводных учеными.

«Он похож на роботов, которые собирают автомобили на заводе. Они поднимают панель и позиционируют ее так, чтобы ее можно было правильно приклеить и построить кузов автомобиля. Таким образом, как и робот на заводе, наша молекулярная версия может быть запрограммирована на то, чтобы по-разному позиционировать и заклепывать компоненты, создавая разные продукты, только в гораздо меньших масштабах на молекулярном уровне».

Плюсы размеров таких машин в том, что они значительно снижают спрос на материалы, могут ускорить и улучшить поиск лекарств, значительно снизить требования к электропитанию и ускорить миниатюризацию других продуктов. Возможные применения молекулярных роботов и так называемых наноассемблеров, которые могут быть созданы на их основе, чрезвычайно широки.

«Молекулярная робототехника представляет собой наивысшую степень миниатюризации машин, — говорит профессор Ли. – Наша цель создать и сделать наименьшие из возможных машины. Это только начало, но мы полагаем, что через 10-20 лет молекулярные роботы будут повсеместно использоваться на молекулярных фабриках и сборочных линиях».

В то время как строительство и эксплуатация такой крошечной машины – чрезвычайно сложные процессы, методы, используемые командой Ли, основаны на простых химических процессах.

«Роботы собираются и функционируют с использованием химии. Это наука о том, как атомы и молекулы реагируют между собой и как большие молекулы собираются из тех, что поменьше».

«Точно так же ученые создают лекарства и пластмассы из простых химических строительных блоков. После того, как нанороботы собираются, ими можно управлять при помощи введения химических веществ, которые подсказывают роботам, что и когда делать, будто в компьютерной программе».

Молекулярные роботы – Газета Коммерсантъ № 134 (1537) от 25.07.1998

&nbspМолекулярные роботы

Молекулярные роботы смогут создавать нефть и мясо из воздуха
Для этого их нужно научить самостоятельно размножаться
       Одной из самых бурно развивающихся областей исследований сегодня стала техника манипуляций с отдельными молекулами и атомами. Новая технология обещает уникальные перспективы — от новых электронных устройств до молекулярных машин. Крупные корпорации (IBM, Xerox) работают над размножающимися молекулярными роботами, которые смогут создавать мясо и нефть прямо из молекул воздуха.
Специалисты уверены, что по своим потенциальным возможностям молекулярная технология превосходит все, что было до сих пор достигнуто человечеством. Россию также не обошел нанотехнологический бум — только в этом месяце в Москве и Петербурге состоялось пять конференций по молекулярным технологиям, которые не только обещают чудеса в будущем, но уже сегодня приносят российским научным фирмам реальную прибыль.
       
       В романе Станислав Лема «Проверка на месте» описано общество будущего без материальных проблем: у каждого есть специальный аппарат, который превращает любой подручный материал — воздух или пыль — во что угодно: в пищу, одежду, драгоценности. Проблемы здоровья не существует: в организме каждого человека обитают микроскопические роботы-врачи, которые тут же исправляют все неполадки на уровне клеток. Специалистам по нанотехнологиям фантазии Лема утопией уже не кажутся. Нанотехнология — операции с точностью нанометра, одной миллиардной доли метра, что сопоставимо с размером атомов.
Проще говоря, нанотехнология — это манипуляции с отдельными атомами. В нанотехнологии существует три направления: изготовление электронных схем из элементов размером с молекулу, самовоспроизводящиеся механизмы и роботы размером с молекулу и, наконец, сборка из молекул новых материалов и веществ. Например, меняя порядок атомов в графите, можно получить алмаз. Из молекул воды и углекислого газа можно собрать молекулу сахара или крахмала.
       Реализация всех этих направлений уже началась. Почти десять лет назад были получены первые результаты по перемещению единичных атомов и сборки из них целых конструкций. Через 2-3 года начнется производство наноэлектронных чипов. Новые технологии позволят изготавливать микросхемы памяти емкостью в десятки гигабайт размером в несколько миллиметров.
       
Микроскоп из иголки
       Инструменты и оборудование для манипуляции атомами появились в 1981 году, когда в швейцарском отделении IBM был создан так называемый зондовый микроскоп, устроенный чрезвычайно просто: острая игла, на которую подано небольшое напряжение, движется над поверхностью материала на расстоянии около одного нанометра. При этом с острия иглы на поверхность стекают электроны, и возникает небольшой ток, величина которого зависит от расстояния между иглой и поверхностью. Изменение этого расстояния на величину меньшую, чем размер единичного атома, вызывает резкое изменение тока. Таким образом можно «различить» на поверхности материала единичные атомы.
       В отличие от других микроскопов зондовый микроскоп позволяет не только видеть отдельные атомы, но и манипулировать ими. С помощью этого микроскопа можно «подхватить» атом и поместить его в нужное место. Значит, можно собирать из атомов, как из кирпичей, все что угодно. Правда, «атомная сборка» существует пока только в лабораториях. Но контроль изделий и материалов на уровне единичных атомов в некоторых областях промышленности уже стал обычным делом. К примеру, матрицы DVD-дисков проходят нанотехнологический контроль.
       По-видимому, электроника станет первой отраслью, где «атомная сборка» будет реализована в промышленных масштабах. Существующие сегодня способы изготовления микросхем основаны на использовании принципа трафарета — слои полупроводников рисуются друг на друге по микроскопическим шаблонам. Однако традиционный шаблонный метод уже приближается к своему технологическому пределу. Новые же методы атомного монтажа способны обеспечить в сотни раз большую плотность размещения транзисторов и диодов, поскольку каждый из этих элементов будет размером с молекулу. Пока ученые учатся собирать из атомов проводники и изготавливать транзисторы.
       
Частная жизнь молекулярных машин
       Хотя сегодня имеются средства для манипуляций отдельными атомами, напрямую применить эти методы для монтажа полезных веществ в сколько-нибудь заметных количествах нельзя — слишком много атомов придется «монтировать». Однако возможностей существующих технологий уже достаточно, чтобы соорудить из нескольких молекул простейшие механизмы, которые смогут манипулировать другими молекулами и создавать себе подобные устройства или более сложные механизмы. Те, в свою очередь, смогут изготовить еще более сложные устройства. В конце концов этот процесс приведет к созданию молекулярных роботов — механизмов, сравнимых по размерам с крупной молекулой и обладающих собственным встроенным компьютером. В создании таких молекулярных машин нет ничего фантастического, активные электронные элементы таких размеров уже получены в лабораторных условиях.
       Технология должна быть экономически выгодной, а производство деталей молекулярных машин с помощью зондовых микроскопов требует гигантских денег. Поэтому основное требование к молекулярным машинам — научиться воспроизводить самих себя: как только будут получены первые такие машины, они сразу же начнут производить свои копии, и микромир машин заживет своей автономной жизнью, не требуя от нас особых затрат (по крайней мере, так планируют ученые).
       Основные усилия брошены на создание так называемого сборщика — машины, способной собирать другие молекулярные машины. Из опубликованных в открытой печати проектов наиболее впечатляюще выглядит проект сборщика Xerox Corporation. Работа сборщика основана на использовании своеобразного молекулярного аналога руки. Молекулы будут захватываться «рукой», доставляться к определенному месту «сборочной линии» и прикрепляться точно к нужному атому, наращивая тем самым очередную деталь производимой на «конвейере» молекулярной машины.
       Даже простейший сборщик имеет довольно сложную конструкцию в несколько миллионов атомов. В качестве реального механизма для получения молекулярных машин до того, как будет запущен процесс их самовоспроизводства, предложен «эволюционный» подход, при котором сначала будут синтезированы самые простые детали, которые в дальнейшем будут использованы для производства более сложных, и так до тех пор, пока молекулярные машины не станут способны производить другие машины.
       Радужные перспективы молекулярных машин — это только половина картины. Опыт технологического прогресса показывает, что любое техническое достижение будет прежде всего приспособлено для военного применения. То же самое, видимо, произойдет и с нанотехнологией. А возможности испортить жизнь «потенциальному противнику» с помощью молекулярных машин весьма разнообразны: от разведки до разрушения всего подряд. Из современных достижений «военной мысли» на работу молекулярных диверсантов больше всего похоже химическое или биологическое оружие (также действующее на молекулярном уровне).
       Основным фактором, сдерживающим развитие наномашин, является вовсе не сложность их изготовления. Ученые уже умеют собирать атомы и молекулы в определенные конструкции. Главная сложность состоит в том, что такую машину надо сначала рассчитать, сконструировать. Моделирование такой конструкции — дело настолько сложное, что для этого не хватает мощности даже современных суперкомпьютеров. Дело в том, что на молекулярном уровне уже перестают действовать обычные законы механики. Вместо этого вступают в действие законы квантовой механики, которые приводят к совершенно неожиданным последствиям. А любая ошибка в конструкции может стоить многих лет работы больших научных коллективов. Поэтому пока основная работа идет над теоретическим обоснованием работоспособности молекулярных устройств.
       Основные работы в области вычислительной молекулярной нанотехнологии ведутся в лабораториях NASA Ames Research Center и в Material Simulation Center, а также в Institute for Molecular Manufacturing и Xerox Corporation. По прогнозам ученых, можно ожидать появления молекулярных роботов лет через десять.
       
ИВАН Ъ-ШВАРЦ, ОЛЕГ Ъ-КОТОВ
       
Нанотехнологии в России
       Петр Лускинович, руководитель работ по нанотехнологии в НИИ «Дельта» — бывшем «закрытом» НИИ Министерства электронной промышленности:
       — В области молекулярного монтажа мы ничуть не отстаем от Запада. Сегодня там вручают премии только за то, что им удается переместить несколько атомов и молекул. Но создаваемые ими структуры нестабильны из-за тепловых колебаний атомов. А мы уже давно получаем нанопроводники, без которых нельзя создать настоящую «атомную» микросхему. Специально для Ъ я хочу показать результат, который мы получили еще три года назад, но который пока никто в мире не повторил. На фото — надпись нанометровых размеров, выполненная с помощью нашей машины для атомного монтажа. Бугорки на фото — группы локально осажденных молекул. Ни одна лаборатория в мире не может повторить этот результат.
       Владимир Палюлин, руководитель работ по нанотехнологии химического факультета МГУ:
       — Чисто химическими методами мы научились получать детали для молекулярных роботов. Из слоев углерода мы получаем трубочки, клапаны и шестеренки размером с молекулу. Причем каждая наша деталька (трубочка или шестеренка) — это одна большая молекула. И получены эти детальки только химическими методами без всякого атомного монтажа. Клапаны и трубочки будут использоваться в качестве «гидравлических приводов» будущих молекулярных роботов. По-существу, сейчас в лабораториях создается детский конструктор, из которого потом будет сделана действующая машина. Вообще в области молекулярных устройств сейчас настоящий бум. Я знаю массу людей, которые бросили свои исследования и переквалифицировались в нанотехнологов. Сам я по специальности химик, но сейчас занимаюсь нанотехнологией. Каждый месяц проводится несколько конференций, появляются новые результаты, идет постоянное соревнование.
       Виктор Быков, кандидат физико-математических наук, заведующий отделом Института физических проблем им. Ф. В. Лукина, директор АО «Нано-МДТ»:
       — Наша фирма уже в самом практическом смысле вступила на рынок нанотехнологии. За последнее десятилетие зондовые микроскопы превратились из уникальных инструментов в обыденные приборы, используемые практически всеми современными лабораториями. В 1998 году рынок микроскопов для операций с атомами приближается к миллиарду долларов США и, по прогнозам, должен увеличиться до 2000 года не менее чем в три раза. «Атомная» микроскопия становится одним из основных методов анализа и модификации вещества на уровне молекул. Сейчас мы в Зеленограде производим несколько моделей микроскопов для манипуляций на уровне атомов и молекул. Хотя это машины стоимостью от $25тыс. до $500тыс., они пользуются устойчивым спросом. Мы поставляем микроскопы в лаборатории европейских стран и страны Азии. Наша техника используется в экспериментах, при контроле качества матриц для компакт-дисков, для проверки качества глазных линз.
       

Молекулярный робот-строитель

Так сложилось, что научное открытие, которое начинается словами «Британские ученые» не вызывает у нас доверия. Все дело в том, что с конца 80-х годов 20 века в Великобритании стало выходить большое количество исследований сомнительного научного содержания. Есть несколько версий, объясняющих этот факт, в частности, что подобная некомпетентность — следствие реформы высшего образования в Англии. Однако более правдоподобно, на наш взгляд, выглядит теория о том, что авторами большинства лженачнуых сенсаций являются пиарщики, преувеличивающие некоторые факты в погоне за публикациями. Как бы там ни было, очевидно одно — едва ли все современные британские ученые занимаются околонаучной ерундой. Так, например, научный коллектив Манчестерского университета недавно завершил важное исследование в области молекулярной техники. Результатом его стало создание первого в мире молекулярного робота-строителя.

На научном языке новая разработка британских ученых описана так: «молекулярная машина, которая может управляемо синтезировать стереоселективные изомеры». В пресс-релизе Манчестерского университета сообщается, что коллективу ученых под руководством профессора химии Девида Ли (David Leigh) удалось создать микроскопических роботов (размером в одну миллионную миллиметра), способных выполнять запрограммированные команды, в том числе по «передвижению» молекулярных грузов и созданию новых молекул.

Молекулярные роботы-строители. Технология

Каждый молекулярный робот состоит из 150 атомов углерода, водорода, кислорода и азота. Запрограммирован он на выполнение нескольких простейших операций. Изначально целью исследования было создание с помощью нанороботов молекул определенного типа (стереоспецифических). Для этого использовали соответствующие задаче химические реакции, в результате которых образуется 4 различных химических соединения. Каждый из возможных результатов химической реакции является одной из программ действий для молекулярного робота. Конкретная программа задает положение его «руки», а уже от этого зависит конечный результат химической реакции, а именно синтез конкретного из четырех типов изомеров.

В обычных условиях подобные химические реакции проводятся с использованием двух катализаторов, однако ни их использование, ни корректировка условий не дает возможность получать какое-то одно конкретное химическое соединение. Благодаря использованию молекулярных роботов, ученым удалось получить запланированный результат по всем четырем типам изомеров в 60-80% случаев.

Такие показатели считаются успешными и достаточными для дальнейшего развития технологии.

Профессор химии Дэвид Ли, научный руководитель открытия

Этот процесс похож на заводскую конвейерную сборку автомобилей. Роботы способны взять нужную «деталь» и расположить её так, что она была правильно установлена в кузов автомобиля. Также как и робот на заводе, нашу молекулярную машину можно запрограммировать на присоединение компонентов различными способами, чтобы получить конкретный целевой результат

Авторы исследования полагают, что в ближайшие 10-20 лет этот метод будет активно использоваться в медицине и появятся целые молекулярные фабрики по производству новых молекул. Отечественные эксперты также высоко оценивают данную работу, соглашаясь, что это важная веха в исследованиях молекулярной техники.

Андрей Елистратов, руководитель аккредитованной аналитической лаборатории
АНО «Лабораторный центр условий труда»

В 2016 году Нобелевский комитет присудил премию по химии за исследования молекулярных машин. Этот факт подтверждает важность исследований в этом направлении. В развитии этих форм мы находимся в самом начале эволюции молекулярной техники, образно это время можно сравнить с появлением станков и промышленной революцией в начале XIX века. Первые этапы этого пути начались Страсбурге в 80-х года прошлого века, когда был разработан новый метод синтеза сложных молекул. Нидерландец Б. Феринга, будущий Нобелевский лауреат, в 1999 году продемонстрировал первый молекулярный мотор. Я думаю, что представленная работа является достойным развитием в этой отрасли науки

Молекулярная робототехника является вершиной процесса миниатюризации машин. Несмотря на то, что создание и эксплуатация такого робота — работа сложная, методы, используемые в технологии, базируются на рядовых химических процессах. Профессор Дэвид Ли полагает, что в будущем такая техника будет способствовать снижению спроса на различные материалы, совершенствованию технологии поиска наркотиков, снижению энергопотребления и скорой миниатюризации других продуктов.

Молекулярный робот из ДНК самостоятельно сделал 50 шагов: 14 мая 2010, 17:46

Молекулярный робот из ДНК самостоятельно сделал 50 шагов: 14 мая 2010, 17:46 — новости на Tengrinews.kz
  1. Главная
  2. Узнай
  3. Технологии
Ранее подобные устройства могли пройти не более трех шагов. Наноробот сконструировали ученые из Колумбийского университета.
  • Vkontakte
  • Facebook
  • Twitter
  • Одноклассники
  • Telegram
Новостью поделились: человек
Молекулярный робот из ДНК самостоятельно сделал 50 шагов Ученые из Колумбийского университета сконструировали четырехногого робота из молекулы ДНК, способного самостоятельно перемещаться по заданному маршруту, пишет журнал Nature. Во время опытов механизм сделал около 50 шагов, пройдя расстояние 100 нанометров (раньше ни один наноробот не мог сделать больше трех шагов). Принцип ходьбы основан на том, что на трех ногах робота прикреплены фрагменты фермента ДНК-полимеразы. А четвертая ножка необходима для торможения и остановки. Программирование маршрута выполняется по специальной матрице, на которой обозначаются стартовая позиция, маркеры движения, точки контроля и остановки. Свойства ДНК-полимеразы таковы, что ножка робота притягивается к точкам маршрута и отрезает от них кусочек. После этого данный маркер становится «пройденным» и ножка к нему больше не притягивается. Другая ножка автоматически нащупывает следующий маркер на маршруте, и процесс повторяется. Таким образом, можно обеспечить перемещение робота по любой траектории, помеченной маркерами. Специалисты отмечают, что это важное открытие на пути к созданию автономных сборочных производств в наномасштабе. Кроме того, в будущем станет возможным создание молекулярных роботов, которые смогут работать в человеческом организме. Например, для доставки лекарства в отдельные клетки или «мелкого ремонта» в организме. Впрочем такие достижения, говорят ученые, станут возможны только лет через 100.

Ученые создали молекулярный процессор, способный подстраиваться под задачи

Ученые создали молекулярный процессор, способный подстраиваться под задачи

Alexander Antipov

Молекулярная микросхема работает подобно мозгу — одновременно хранит и обрабатывает данные, а также способна перестраивать свою аппаратную архитектуру.


Международная группа учёных из США, Ирландии, Индии и Сингапура создала молекулярную микросхему, которая работает подобно мозгу — одновременно хранит и обрабатывает данные, а также способна перестраивать свою аппаратную архитектуру. Об этом сообщается в журнале Nature.

Ученые создали молекулярное устройство, способное поразительно быстро перенастраивать соединения внутри себя, имитируя поведение мозга. Но достигается это не за счет изменения физических связей, как в мозге, а за счет перепрограммирования логики.

По словам авторов, их молекулярное устройство может в будущем помочь в разработке нового поколения микросхем с повышенной вычислительной мощностью и скоростью, но сниженным энергопотреблением. Оно представляет собой мемристор — сопротивление микросхемы, совмещенное с элементом памяти. Такие устройства создавали и ранее, но до сих пор их делали только на основе соединений редкоземельных металлов, что ограничивало температурный диапазон работы мемристоров.

Новый материал ведет себя как электронная губка, которая может обратимо поглощать до шести электронов. Это приводит к семи различным окислительно-восстановительным состояниям. Взаимосвязь между этими состояниями — это тот самый способ быстро перенастроить устройство для разных вычислительных задач.

Учёные считают, что такой молекулярный кристалл можно встраивать в мобильные и периферийные устройства, а также в обычные кремниевые процессоры для «ускорения принятия сложных решений» и работы нейросетей, которые будут намного мощнее существующих.


В нашем телеграм канале мы рассказываем о главных новостях из мира IT, актуальных угрозах и событиях, которые оказывают влияние на обороноспособность стран, бизнес глобальных корпораций и безопасность пользователей по всему миру. Узнай первым как выжить в цифровом кошмаре!
Поделиться новостью:

Молекулярный «робот» может строить другие молекулы

Команда из Манчестерского университета создала «молекулярного робота», способного выполнять основные задачи, включая создание других молекул.

Крошечный робот размером в одну миллионную миллиметра может быть запрограммирован на перемещение и сборку молекулярных грузов с помощью крошечной роботизированной руки.

Каждый отдельный робот способен манипулировать одной молекулой и состоит всего из 150 атомов углерода, водорода, кислорода и азота.Он работает, проводя химические реакции в специальных растворах, которые затем могут контролироваться и программироваться учеными для выполнения основных задач.

«Наш робот — это буквально молекулярный робот, построенный из атомов, точно так же, как вы можете построить очень простого робота из кубиков Lego», — сказал профессор химии Дэвид Ли.

«Затем робот реагирует на серию простых команд, которые запрограммированы учеными с помощью химических веществ. Это похоже на то, как роботы используются на конвейере сборки автомобилей.Эти роботы берут панель и размещают ее так, чтобы ее можно было правильно приклепать для сборки кузова автомобиля. Таким образом, как и робот на заводе, нашу молекулярную версию можно запрограммировать так, чтобы она могла позиционировать и склепывать компоненты по-разному для создания различных продуктов, только в гораздо меньшем масштабе на молекулярном уровне ».

Он сказал о преимуществах наличия оборудования настолько мал, что значительно снижает спрос на материалы, может ускорить и улучшить открытие лекарств, резко снизить требования к мощности и быстро увеличить миниатюризацию других продуктов.Таким образом, потенциальные применения молекулярных роботов чрезвычайно разнообразны и интересны.

«Молекулярная робототехника представляет собой высшую степень миниатюризации машинного оборудования», — сказал он.

«Наша цель — проектировать и производить самые маленькие машины. Это только начало, но мы ожидаем, что через 10-20 лет молекулярные роботы начнут использоваться для создания молекул и материалов на сборочных линиях молекулярных фабрик».

[Изображение: Манчестерский университет]

Первый в мире «молекулярный робот», способный строить молекулы — ScienceDaily

Ученые из Манчестерского университета создали первого в мире «молекулярного робота», способного выполнять основные задачи включая построение других молекул.

Крошечные роботы размером в одну миллионную миллиметра могут быть запрограммированы на перемещение и создание молекулярных грузов с помощью крошечной роботизированной руки.

Каждый отдельный робот способен манипулировать одной молекулой и состоит всего из 150 атомов углерода, водорода, кислорода и азота. Если рассматривать этот размер в контексте, миллиард миллиардов этих роботов, поставленных друг на друга, все равно будут иметь размер лишь крупицу соли.

Роботы работают, проводя химические реакции в специальных растворах, которые затем могут контролироваться и программироваться учеными для выполнения основных задач.

В будущем таких роботов можно будет использовать в медицинских целях, в сложных производственных процессах и даже для строительства молекулярных заводов и сборочных линий. Исследование будет опубликовано в журнале Nature в четверг, 21 сентября.

Профессор Дэвид Ли, руководивший исследованиями в Школе химии Университета, объясняет: «Вся материя состоит из атомов, и это основные строительные блоки, из которых образуются молекулы. Наш робот — это буквально молекулярный робот, построенный из атомов, точно так же, как вы можете построить очень простого робота из кубиков Lego.Затем робот реагирует на серию простых команд, которые ученый запрограммировал с помощью химических веществ.

‘Это похоже на то, как роботов используют на конвейере сборки автомобилей. Эти роботы берут панель и размещают ее так, чтобы ее можно было правильно приклепать для сборки кузова автомобиля. Таким образом, как и робот на заводе, наша молекулярная версия может быть запрограммирована на позиционирование и заклепку компонентов по-разному для создания различных продуктов, только в гораздо меньшем масштабе на молекулярном уровне.’

Преимущество наличия такого небольшого оборудования в том, что оно значительно снижает спрос на материалы, может ускорить и улучшить открытие лекарств, резко снизить требования к мощности и быстро увеличить миниатюризацию других продуктов. Таким образом, потенциальные применения молекулярных роботов чрезвычайно разнообразны и интересны.

Профессор Ли говорит: «Молекулярная робототехника представляет собой высшую степень миниатюризации машинного оборудования. Наша цель — проектировать и производить машины наименьшего размера.Это только начало, но мы ожидаем, что через 10-20 лет молекулярные роботы начнут использоваться для создания молекул и материалов на сборочных линиях молекулярных фабрик ».

Хотя создание и управление такой крошечной машиной чрезвычайно сложно, методы, используемые командой, основаны на простых химических процессах.

Профессор Ли добавил: «Роботы собираются и управляются с помощью химии. Это наука о том, как атомы и молекулы взаимодействуют друг с другом и как большие молекулы строятся из более мелких.

«Это тот же самый процесс, который ученые используют для изготовления лекарств и пластмасс из простых химических строительных блоков. Затем, когда нанороботы построены, ученые управляют ими, добавляя химические вещества, которые говорят роботам, что и когда делать, точно так же, как компьютерная программа ».

История Источник:

Материалы предоставлены Университетом Манчестера . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

достижений в области молекулярной робототехники

Зажатая среди некоторых неоспоримых достижений в области визуализации и биохимии (микроскопия сверхвысокого разрешения, механизм репарации ДНК и криоэлектронная микроскопия), Нобелевская премия по химии 2016 г. «за разработку и синтез молекулярных машин» могла бы выделяться как забавная новинка, намек в сторону нанотехнологий и футуризма, не привязанный к необходимости немедленного применения.

Большая часть дискуссий вокруг Нобеля 2 года назад, казалось, была сосредоточена на фантастическом мире проворачивания валов, вращения пропеллеров и гонок автомобилей в нанометровом масштабе.Однако для биотехнолога эта фантазия могла быть разумно замечена как упускающая важный момент: сложные молекулярные машины уже изобилуют в природе, и теперь существуют инструменты, чтобы заставить их работать.

Идея начать с биологического объекта нанометрового размера — обычно белка или нуклеиновой кислоты — и перепрограммировать его для выполнения новой задачи была главной темой Международного симпозиума Wyss в этом году. Это было 9-е ежегодное мероприятие из серии, в которой недавно были затронуты самые разные темы: от механотерапии до органной инженерии; На первый взгляд может показаться, что симпозиум Висса проходит повсюду, но он всегда возвращается к биотехнологии, если исходить из концепции синтетических биологов о манипулировании частями, но позволяя природе делать большую часть работы.Ежегодно он привлекает более 800 участников со всего мира из самых разных секторов, таких как венчурный капитал, медицина и даже некоторые из тех неуловимых самоидентифицированных биотехнологов. Институт Висса по-прежнему уделяет большое внимание патентам и приложениям — если перефразировать его директора-основателя Дона Ингбера, исследования бесполезны, если их невозможно перевести, — поэтому неудивительно, что выпуск этого года по молекулярной робототехнике представил огромное количество новых инструментов и потенциальные приложения, и даже его изрядная доля споров по поводу того, что именно подразумевается под молекулярным роботом.

Что такое молекулярный робот?

Если вы представляете себе японский автомобильный завод, но в наномасштабе, я вряд ли могу вас винить, но печальная правда в том, что эта область еще не совсем там. Рабочее определение появилось рано: молекулярный робот сочетает макромолекулу (опять же, почти всегда биомакромолекулу, но, возможно, вместо нее можно было бы использовать что-то вроде графена) с концепциями робототехники, такими как программирование и автоматизация, для выполнения задачи.Это полезный способ размышлять о вещах, даже если он требует несколько вольного толкования «программирования». Один из утренних докладчиков согласился и высказал мнение, что происходящее, несомненно, является молекулярным, хотя можем ли мы правильно думать об этом как о роботах — это совсем другой вопрос.

Одним из примеров, который бесспорно считается молекулярным роботом, является Лулу Цянь из Калифорнийского технологического института, который продемонстрировал наноразмерного робота для сортировки грузов около года назад. Устройство ее команды «проходит» на ногах нуклеиновой кислоты через поле молекул ДНК, используя технику, называемую смещением цепи, которая основывается на временном спаривании оснований Уотсона-Крика.Робот пока не может делать ничего более продуктивного, чем переносить флуоресцентный пептид с одной стороны прямоугольника на другую, но это шаг в интригующем направлении к автономным неживым, но биологически вдохновленным системам.

Движение, основанное на нековалентном связывании, будь то ноги нуклеиновых кислот или использование излюбленного биохимиками взаимодействия биотина и стрептавидина, представляет собой один из основных способов передвижения молекулярных роботов. Ограничения очевидны: роботу будет сложно взаимодействовать с любым субстратом, для которого он не предназначен биохимически.Например, сортировщик грузов Qian может ходить только по поверхности, из которой торчат нити нуклеиновой кислоты. Дополнительный подход заключается в использовании ферментативного двигателя, часто такого, как актин, который требует источника энергии, такого как АТФ. Но потребности в энергии для таких роботов часто огромны по сравнению с их размерами и производительностью, а доставка молекул в качестве топлива другим молекулам может быстро стать диффузионно-ограниченной в наномасштабе. Можно было бы представить себе фототактические или хемотаксические двигатели для управления молекулярными роботами, но большая часть работы в настоящее время, похоже, полагается на нековалентное связывание или ферментативные двигатели.

Действительно робот или просто машина?

Это философский вопрос, но более чем семантический для этой области, которая все еще пытается определить себя. Одна из самых больших школ мысли считает, что все, чему вы можете дать инструкции и что может воспроизводимо выполнить задачу, является частью команды. Джордж Черч, полулегендарный прикладной генетик, который может претендовать на почти любую мыслимую академическую принадлежность в Кембридже, подписывается. По мнению Черча, нам не нужно искать молекулярного робота дальше, чем скромная полимераза, на которой основано все современное понятие рекомбинантной технологии. Более своевременным является то, что различные белки, связанные с CRISPR, также можно рассматривать как молекулярных роботов, которые могут быть запрограммированы для выполнения определенных задач с нуклеиновыми кислотами. Cas9, отвечающий за возможности редактирования системы CRISPR, является одним из примеров; Черч занял смелую позицию, что Cas1 и Cas2, которые можно запрограммировать для хранения информации в ДНК, на самом деле являются более сложными устройствами.

Еще более широкий взгляд может охватывать любое устройство или технологическую платформу, спроектированную в наномасштабе.Дэвид Бейкер, пионер в области белковой инженерии, представил широкий спектр белков, разработанных de novo : те, которые никогда не существовали в природе, но компьютерный анализ предсказывает, что должно укладываться в раз и функционировать как белки, если они экспрессируются синтетически. Некоторые из белков de novo Бейкера включают те, которые флуоресцируют на необычных длинах волн, значительно расширяя радужную флуоресценцию белка за пределы знакомого зеленого цвета; те, которые включают в себя так называемые неприродные аминокислоты, включая аминокислоты, которые ориентированы в необычных направлениях или функционируют иначе, чем обычно синтезирует организм, с приложениями в самосборке и наноархитектуре; и те, которые могут точно определять местоположения in vivo, для точной доставки лекарства.

Biosensing — еще одно важное применение инженерных устройств нанометрового размера, которые могут считаться или не считаться роботами. ДНК-оригами в настоящее время является широко распространенным подходом к самоорганизации молекул ДНК в интересные формы; Некоторые из этих форм теперь включают док-станции для удержания белков, органелл или даже целых клеток на поверхности для их изображения или изучения их динамики в естественной среде, а не в растворителе. В качестве альтернативы, ДНК можно сложить оригами в «штангенциркуль», чтобы измерить не только размер, но и структуру отдельной биомолекулы.

Что ждет молекулярную робототехнику дальше?

Ребекка Шульман, исследователь из Johns Hopkins, изучающая наноструктуры ДНК, обладает необычным набором навыков, который особенно хорошо подходит для программирования молекулярных роботов: совместное назначение в области химической инженерии и информатики. Подобно тому, как нынешняя революция в синтетической биологии потребовала опыта как в фундаментальной биологии, так и в инженерных принципах, получение максимальной отдачи от молекулярной робототехники потребует сотрудничества между (био) химиками и учеными-компьютерщиками. Шульман предложил создать «операционную систему» ​​на основе гидрогеля для запуска молекулярных роботов, в частности, для управления использованием энергии, организации действий и планирования задач. Это может быть воспринято как негласная работа, немного похожая на программиста Apple, которому поручено не создавать новейшие и лучшие мобильные устройства, а вместо этого вносить постепенные улучшения в iOS 12. Но по мере того, как количество роботов, посвященных той же задаче, возможно, увеличивается с От тысяч миллиметровых единиц до триллионов белков в растворе, некоторая координация будет иметь решающее значение.

Что касается самих роботов или литейных производств, используемых для их создания, непосредственные проблемы сводятся к проблемам, знакомым для любого производственного процесса: точность, надежность, воспроизводимость и сложная сборка. Конечно, эти проблемы усугубляются, когда физические размеры измеряются числом атомов, а не метрами; Как и в случае с синтетической биологией, важно думать как инженер, чтобы установить допуски, определить стандарты и сделать упор на воспроизводимую и последовательную работу, а не на индивидуальный и децентрализованный подход.

Как убедительно указали на присуждение Нобелевской премии 2016 года и прямо заявили несколько докладчиков на Международном симпозиуме в Виссе 2018 года, область молекулярной робототехники во многих отношениях необычна: она содержит набор зарождающихся технологий, ищущих структуру и приложения. Эта идея может дезориентировать ученых, которые привыкли к парадигме биомедицинских исследований, заключающейся в наблюдении за человеческим заболеванием, получении базового биологического понимания его и, в конечном итоге, разработке технологии для его преодоления.

Но, как я отмечал два года назад, промышленные революционеры начала 19 века вряд ли могли предсказать повсеместное распространение электродвигателя сегодня. Специалисты по молекулярной робототехнике начала 21 века, возможно, просят мир применить аналогичный выжидательный подход, но я сомневаюсь, что это займет почти столько же времени, чтобы воплотить его в жизнь.

Ученые, работающие над созданием роя роботов размером с молекулу для выполнения задач

Молекулярный робот, длина которого обычно составляет от 100 нанометров до 100 микрометров, требует, чтобы активатор, процессор и датчик функционировали должным образом. Благодаря тонкой настройке своего взаимодействия миллионы роботов могут перемещаться вместе в стаи, которые намного больше по размеру, чем один робот, что дает несколько преимуществ. Масштабная линейка: 20 мкм. Предоставлено: Национальный институт материаловедения (NIMS).

Междисциплинарные исследования привели к созданию инновационных роботов размером с молекулу. В настоящее время ученые прилагают усилия, чтобы заставить этих роботов взаимодействовать и работать вместе миллионами, объясняется обзор в журнале Science and Technology of Advanced Materials .

«Ожидается, что молекулярные роботы внесут большой вклад в появление нового измерения в химическом синтезе, молекулярном производстве и искусственном интеллекте», — пишет физико-химик из Университета Хоккайдо доктор Акира Какуго и его коллеги в своем обзоре.

В последние годы был достигнут стремительный прогресс в создании этих крошечных машин, в том числе благодаря супрамолекулярным химикам, химическим и биомолекулярным инженерам, а также нанотехнологам.Но одна область, которая все еще нуждается в улучшении, — это управление перемещениями стаи молекулярных роботов, чтобы они могли выполнять несколько задач одновременно.

С этой целью исследователи создали молекулярных роботов с тремя ключевыми компонентами: микротрубочками, одноцепочечной ДНК и светочувствительным химическим соединением. Микротрубочки действуют как двигатель молекулярного робота, преобразовывая химическую энергию в механическую работу. Нити ДНК действуют как информационный процессор из-за своей невероятной способности хранить данные и выполнять несколько функций одновременно.Химическое соединение, производное азобензола, способно воспринимать свет, действуя как переключатель включения / выключения молекулярного робота.

Ученые создали огромные движущиеся «рои» этих молекулярных роботов, используя способность ДНК передавать и получать информацию для координации взаимодействия между отдельными роботами.

Ученые изобрели новый метод использования ДНК для управления молекулярными роботами. Молекулы роятся, как стая птиц, демонстрируя различные модели движения при применении этого метода.Авторское право: Университет Хоккайдо

Ученые успешно контролировали форму этих роев, регулируя длину и жесткость микротрубочек. Относительно жесткие роботы собираются в однонаправленные линейные группы, в то время как более гибкие образуют вращающиеся кольцеобразные стаи.

Тем не менее, постоянная проблема состоит в том, чтобы заставить отдельные группы роботов собираться в одно и то же время, но по разным схемам. Это необходимо для одновременного выполнения нескольких задач. Одна группа ученых достигла этого, разработав один сигнал ДНК для жестких роботов, посылая их в однонаправленный рой в форме пучка, и другой сигнал ДНК для гибких роботов, которые одновременно вращались вместе в кольцеобразный рой.

Светочувствительный азобензол также использовался для включения и выключения стай. ДНК транслирует информацию из азобензола, когда чувствует ультрафиолетовый свет, выключая рой. Когда азобензол воспринимает видимый свет, рой снова переключается во включенное состояние.

«Размеры роботов были уменьшены с сантиметров до нанометров, а количество роботов, участвующих в рое, увеличилось с 1000 до миллионов», — пишут исследователи. Однако по-прежнему необходима дальнейшая оптимизация для улучшения обработки, хранения и передачи информации.Кроме того, необходимо решить вопросы, связанные с энергоэффективностью и возможностью повторного использования, помимо увеличения срока службы молекулярных роботов.


Позволяя молекулярным роботам роиться, как птицы
Дополнительная информация: Arif Md.Рашедул Кабир и др. Молекулярные роевые роботы: недавний прогресс и будущие задачи, Наука и технология передовых материалов (2020). DOI: 10.1080 / 14686996.2020.1761761 Предоставлено Национальный институт материаловедения

Ссылка : Ученые, работающие над созданием роботов размером с молекулу, собираются вместе для выполнения задач (2020, 18 июня) получено 25 октября 2021 г. с https: // физ.org / новости / 2020-06-ученые-размером-молекулы-роботы-рой-задачи.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Первый в мире «молекулярный робот», способный перемещать и строить молекулы

Группа ученых из Манчестерского университета разработала первого в мире «молекулярного робота», который представляет собой еще один важный прорыв в области нанотехнологий, поддерживаемых искусственным интеллектом. .

Источник: Stuart Jantzen / Biocinematics

Основная задача робота — выполнять набор команд по построению молекул, и он даже способен манипулировать всего лишь одной молекулой частицы. Роботы, состоящие из смеси всего лишь 150 атомов азота, кислорода, углерода и водорода, по сути, работают по принципу сборки, производя химические реакции под очень контролируемым и конкретным руководством ученых.

Непостижимо крошечный размер роботов никогда не перестает восхищать: человеку становится трудно понять размер маленьких надсмотрщиков, которые даже в миллиардах не были бы размером даже с мельчайшей частицей, видимой человеческим глазом, как песчинка или соль.Крошечные ручки, движущиеся в идеальной гармонии, — ошеломляющая мысль.

Профессор химии Манчестерского университета Дэвид Ли, который также является частью исследовательской группы, подробно описывает огромный спектр важных задач, которые роботы выполняют с использованием химических веществ:

«Это похоже на то, как роботы используются в автомобиле. сборочная линия. Эти роботы берут панель и размещают ее так, чтобы ее можно было правильно приклепать для сборки кузова автомобиля. Таким образом, как и робот на заводе, наша молекулярная версия может быть запрограммирована на позиционирование и заклепку компонентов по-разному для создания различных продуктов, только в гораздо меньшем масштабе на молекулярном уровне.«Воспроизведение работы в синтетических системах — следующий шаг для ученых.

Источник: Stuart Jantzen / Biocinematics

«Это тот же метод, который ученые используют для изготовления лекарств и пластмасс из простых химических строительных блоков … Наш робот — это буквально молекулярный робот, построенный из атомов, точно так же, как вы можете построить очень простой робот из кубиков Лего ». Это имеет решающее значение для медицины, материалов и энергетики. Роботы влияют на скорость открытия лекарств и даже снижают потребность в материалах, среди прочих ценных преимуществ.

Открытое поле

Известный химик и профессор химии Эдинбургского университета сэр Фрейзер Стоддарт оценил усилия, приложенные в новой области: «Это не происходит в одночасье; это требует очень много времени и сотен очень талантливых постдоков. » Эти роботы незаменимы при работе с хрупкими или чувствительными материалами.

Президент Американского химического общества (ACS) и профессор химии Донна Нельсон добавляет: «[Любопытство к этой области исследований] заставит эту область процветать; больше ученых переедут в этот район, и это привлечет больше финансирования.Теперь вы можете ожидать, что приложения будут появляться гораздо быстрее ». По этой причине мы все поддерживаем ценный вклад ученых и исследователей в каждое исследование и каждую публикацию, зная, что каждое новое открытие приближает нас на один шаг.

Молекулярная робототехника

Молекулярная робототехника

Сбор, транспортировка и высвобождение молекулярного груза с помощью робота-манипулятора с малыми молекулами’ ‘Сальма Кассем, Алан Т.Л. Ли, Дэвид А. Ли, Августинас Маркявичюс и Хорди Сола, Nature Chem , 8 , 138-143 (2016).Полная статья.

[Изображение предоставлено: Стюарт Янцен, www.biocinematics.com]

Механическое манипулирование материей на атомных масштабах длины увлекло ученых с тех пор, как оно было предложено Фейнманом в его знаменитой лекции «На дне много места». 1 В самом деле, концепция использования молекул для манипулирования другими молекулами роботизированным способом является интригующей и имеет некоторый приоритет в биологии: например, в синтазе жирных кислот метазоа растущая цепь жирной кислоты, привязанная к встроенному белку-носителю, является проходит между ферментными доменами в надстройке белка способом, напоминающим то, как роботизированная рука манипулирует объектами на заводской сборочной линии (рис. 1). 2 Однако до сих пор не существовало низкомолекулярных машин (в отличие от белков или ДНК), которые могли бы переносить молекулярные фрагменты аналогичным образом. 3

Рис. 1. Мультяшное изображение программируемого низкомолекулярного робота, способного транспортировать молекулярный груз (показан красным) в любом направлении от участков платформы, переходящих от синего к зеленому или от зеленого к синему.

Теперь химики из Манчестерского университета создали молекулярную машину с «роботизированной рукой», которая способна подбирать молекулярный груз, перемещать его, устанавливать и выпускать во втором месте примерно на 2 нм (0.000002 мм) от исходного положения (Рисунок 2). 4 Перемещение молекулярных фрагментов с помощью робота-манипулятора нанометрового масштаба — создание и разрыв химических связей в процессе, во время которого груз не может обмениваться с другими грузами в массе, — является первым шагом к контролируемому манипулированию структурами молекулярного уровня посредством программируемая низкомолекулярная робототехника.

Рис. 2. Химическая структура программируемой молекулярной роботизированной руки (показана черным), способной перемещать молекулярный груз (показан красным) в любом направлении от синего к зеленому или от зеленого к синему участкам платформы.

Современные заводские сборочные линии часто оснащены роботами, которые запрограммированным образом собирают, перемещают и соединяют компоненты. Маломолекулярные роботы должны иметь возможность манипулировать субстратами для управления молекулярной конструкцией, подобно тому, как это наблюдается в биологии и на заводских сборочных линиях (рис. 3). Такая нанотехнология может в конечном итоге произвести революцию в том, как создаются молекулы и материалы. 5


Ваш браузер не поддерживает видео тег.

Рис. 3. Стилизованное представление «нанопанк» запрограммированной работы молекулярной роботизированной руки. [Видео предоставлено: Стюарт Янцен, www.biocinematics.com] [Щелкните здесь, чтобы загрузить HD-версию видео]

Список литературы

[1] Feynman, R. P. Внизу много места. англ. Sci. 23 , 22–36 (1960).

[2] Brignole, E.J., Smith, S. & Asturias, F.J. Конформационная гибкость синтазы жирных кислот метазоа делает возможным катализ. Nature Struct. Мол. Биол. 16 , 190–197 (2009).

[3] Эрбас-Чакмак, С., Ли, Д. А., МакТернан, К. Т. и Нуссбаумер, А. Л. Искусственные молекулярные машины. Chem. Ред. 115 , 10081–10206 (2015).

[4] Кассем, С., Ли, А. Т. Л., Ли, Д. А., Маркявичюс, А., Сола, Дж. Захват, транспортировка и высвобождение молекулярного груза с помощью низкомолекулярной роботизированной руки. Nature Chem. 8 , 138-143 (2016).

[5] Кей, Э. Р и Ли, Д. А. Возникновение молекулярных машин. Энгью. Chem. Int. Эд. 54 , 10080–10088 (2015).

Молекулярный робот размером с микрометр изменяет свою форму в ответ на сигнальные молекулы

Резюме

Рис. S1. Один якорь, модифицированный холестерином, инкапсулирован в липосоме.

Рис. S2. Блок-схема методов приготовления внутреннего и внешнего растворов одной пробы.

Фиг.S3. Конфокальные изображения при условии 0 мМ АТФ.

Рис. S4. Сигнальная реакция робота и функции сцепления подтверждена предварительным смешиванием сигналов ДНК.

Рис. S5. Электрофорез в полиакриламидном геле.

Рис. S6. Статистические средние значения r / r max в активных и неактивных роботах под микроскопом.

Рис. S7. Конфокальные микроскопические изображения липосом в условиях DOPC / холестерин / DSPE-PEG2000 = 8.9/1 / 0,1.

Рис. S8. Конфокальные микроскопические изображения липосом в условиях DOPC / холестерин / DSPE-PEG2000 = 8 / 1,9 / 0,1.

Рис. S9. Изображения двухслойной липидной мембраны на поверхности слюды с помощью атомно-силовой микроскопии.

Рис. S10. Структурная формула сайта фоторасщепления, обозначенного -X- в таблице S1.

Рис. S11. Коммутационная функция сцепления, индуцированная сигналами прДНК.

Рис. S12. Измерение смещения цепи ДНК в гигантской липосоме.

Фиг.S13. Изменение энергии, необходимой для изменения формы (Δ E ), как функция времени.

Рис. S14. Переход робота из активного в неактивное состояние без сигнала ДНК.

Рис. S15. Выступы микротрубочек от робота.

Таблица S1. Последовательности ДНК.

Таблица S2. Конечная концентрация каждого химического вещества во внутренних и внешних растворах робота.

Фильм S1. Непрерывное изменение формы в роботе с включенным сцеплением.

Фильм S2. Переключение формы робота из неактивного состояния в активное с помощью сигнала ДНК светочувствительного коннектора.

Фильм S3. Переключение формы робота из активного в неактивное состояние с помощью светочувствительного пускового сигнала ДНК.

Фильм S4. Вращающийся трехмерный вид робота с выступами микротрубочек.

Фильм S5.

Comments

No comments yet. Why don’t you start the discussion?

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *