يمكن استخدام الروبوتات النانوية التي طورها الدكتور مينه لو والدكتور شيلي ويكهام لنشر أدوية السرطان المستهدفة، وصنع مواد مستقبلية تستجيب لبيئاتها وتجد استخدامات في إنشاء معالجة إشارات موفرة للطاقة.
“ديناصور” النانوي
يبلغ عرض الجسم الذي تم تصويره باستخدام المجهر الإلكتروني المبرد في منشأة الفحص المجهري والتحليل الدقيق بجامعة سيدني 250 نانومتر فقط.
حقق الباحثون في معهد النانو بجامعة سيدني تقدمًا كبيرًا في مجال الروبوتات الجزيئية من خلال تطوير هياكل نانوية مصممة خصيصًا وقابلة للبرمجة باستخدام أوريغامي الحمض النووي.
يتمتع هذا النهج المبتكر بإمكانيات عبر مجموعة من التطبيقات، بدءًا من أنظمة توصيل الأدوية المستهدفة إلى المواد سريعة الاستجابة ومعالجة الإشارات الضوئية الموفرة للطاقة. تستخدم هذه الطريقة “أوريغامي الحمض النووي”، وهو الاسم الذي يطلق عليه لأنه يستخدم قوة الطي الطبيعية للحمض النووي، وهي اللبنات الأساسية للحياة البشرية، لإنشاء هياكل بيولوجية جديدة ومفيدة.
ولإثبات صحة المفهوم، صنع الباحثون أكثر من 50 جسمًا نانويًا، بما في ذلك “ديناصور نانو”، و”روبوت راقص”، و”أستراليا صغيرة” يبلغ عرضها 150 نانومترًا، أي أضيق بألف مرة من شعرة الإنسان.
تم نشر البحث اليوم في مجلة الروبوتات البارزة الروبوتات العلمية .
يركز البحث، الذي يقوده المؤلف الأول الدكتور مينه تري لو ورئيس فريق البحث الدكتور شيلي ويكهام، على إنشاء وحدات أوريغامي للحمض النووي “فوكسيلات” يمكن تجميعها في هياكل معقدة ثلاثية الأبعاد. (عندما يكون البكسل ثنائي الأبعاد، يتم تحقيق الفكسل بشكل ثلاثي الأبعاد.)
ويمكن تصميم هذه الهياكل النانوية القابلة للبرمجة لوظائف محددة، مما يسمح بإعداد نماذج أولية سريعة لتكوينات متنوعة. تعتبر هذه المرونة ضرورية لتطوير الأنظمة الروبوتية النانوية التي يمكنها أداء مهام في البيولوجيا التركيبية والطب النانوي وعلوم المواد.
وقال الدكتور ويكهام، الذي يشغل منصبًا مشتركًا مع كليتي الكيمياء والفيزياء في كلية العلوم: “إن النتائج تشبه إلى حد ما استخدام ميكانو، وهي لعبة هندسية للأطفال، أو بناء مهد قطة على شكل سلسلة. ولكن بدلاً من ذلك، من المعدن أو الخيط على نطاق واسع، نستخدم علم الأحياء النانوي لبناء روبوتات ذات إمكانات هائلة.”
وقال الدكتور لو: “لقد أنشأنا فئة جديدة من المواد النانوية ذات خصائص قابلة للتعديل، مما يتيح تطبيقات متنوعة – من المواد التكيفية التي تغير الخصائص البصرية استجابة للبيئة إلى الروبوتات النانوية المستقلة المصممة للبحث عن الخلايا السرطانية وتدميرها”.
الحمض النووي الفيلكرو
لتجميع الأكسيل، قام الفريق بدمج خيوط DNA إضافية على الجزء الخارجي من الهياكل النانوية، حيث تعمل الخيوط الجديدة كمواقع ربط قابلة للبرمجة.
وقال الدكتور لو: “تعمل هذه المواقع مثل الفيلكرو بألوان مختلفة، وهي مصممة بحيث لا يمكن الاتصال إلا بالخيوط ذات الألوان المتطابقة (في الواقع، تسلسلات الحمض النووي التكميلية).”
وقال إن هذا النهج المبتكر يسمح بالتحكم الدقيق في كيفية ارتباط وحدات الفوكسل ببعضها البعض، مما يتيح إنشاء بنيات قابلة للتخصيص ومحددة للغاية.
أحد التطبيقات الأكثر إثارة لهذه التكنولوجيا هو قدرتها على إنشاء صناديق روبوتية نانوية قادرة على إيصال الأدوية مباشرة إلى المناطق المستهدفة داخل الجسم. وباستخدام أوريغامي الحمض النووي، يمكن للباحثين تصميم هذه الروبوتات النانوية للاستجابة لإشارات بيولوجية محددة، مما يضمن إطلاق الأدوية فقط عندما وحيثما تكون هناك حاجة إليها. يمكن لهذا النهج المستهدف أن يعزز فعالية علاجات السرطان مع تقليل الآثار الجانبية.
بالإضافة إلى توصيل الأدوية، يستكشف الباحثون تطوير مواد جديدة يمكنها تغيير خصائصها استجابة للمحفزات البيئية. على سبيل المثال، يمكن هندسة هذه المواد بحيث تستجيب للأحمال الأعلى أو تغير خصائصها الهيكلية بناءً على التغيرات في درجات الحرارة أو مستويات الحموضة. تتمتع هذه المواد سريعة الاستجابة بالقدرة على إحداث تحول في الصناعات الطبية والحاسوبية والإلكترونية.
وقال الدكتور ويكهام: “هذا العمل يمكننا من تخيل عالم حيث يمكن للروبوتات النانوية العمل على مجموعة كبيرة من المهام، من علاج الجسم البشري إلى بناء الأجهزة الإلكترونية المستقبلية”.
ويدرس فريق البحث أيضًا طرقًا موفرة للطاقة لمعالجة الإشارات الضوئية، مما قد يؤدي إلى تحسين تقنيات التحقق من الصور. ومن خلال تسخير الخصائص الفريدة لأوريغامي الحمض النووي، يمكن لهذه الأنظمة تحسين سرعة ودقة معالجة الإشارات الضوئية، مما يمهد الطريق لتقنيات محسنة في التشخيص الطبي أو الأمن.
وقال الدكتور لو، باحث ما بعد الدكتوراه في كلية الكيمياء: “يوضح عملنا الإمكانات المذهلة لأوريغامي الحمض النووي لإنشاء هياكل نانوية متعددة الاستخدامات وقابلة للبرمجة. إن القدرة على تصميم وتجميع هذه المكونات تفتح آفاقًا جديدة للابتكار في تكنولوجيا النانو”.
وقال الدكتور ويكهام: “لا يسلط هذا البحث الضوء على قدرات الهياكل النانوية للحمض النووي فحسب، بل يؤكد أيضًا على أهمية التعاون متعدد التخصصات في تقدم العلوم. ونحن متحمسون لرؤية كيف يمكن تطبيق نتائجنا على تحديات العالم الحقيقي في مجالات الصحة وعلوم المواد والطاقة”. “.
ومع استمرار الباحثين في تحسين هذه التقنيات، أصبحت إمكانية إنشاء آلات نانوية تكيفية يمكنها العمل في بيئات معقدة، مثل داخل جسم الإنسان، ممكنة بشكل متزايد.
Luu، MT وآخرون “مواد نانوية قابلة لإعادة التشكيل مطوية من سلاسل متعددة المكونات من فوكسلات DNA الورقية” (الروبوتات العلمية 2024). دوى: 10.1126/scirobotics.adp2309
تصريح
الكتاب يعلنون عدم وجود مصالح متنافسة. تم دعم البحث من قبل مجلس البحوث الأسترالي، وزمالة ويستباك للأبحاث، ومعهد النانو بجامعة سيدني، ومؤسسة الفيزياء بجامعة سيدني؛ وزارة الصناعة والعلوم والموارد الأسترالية، ومجلس أبحاث العلوم الهندسية والفيزيائية (المملكة المتحدة).
استخدم الباحثون المعدات الموجودة في منشأة الفحص المجهري والتحليل الدقيق بجامعة سيدني.
تستجيب الأنظمة البيولوجية للمحفزات الخارجية مثل الضوء والحرارة والمغناطيسية. ويتطلع العلماء إلى تطوير مواد جديدة تحاكي هذه القدرات لاستخدامات لا تعد ولا تحصى في علوم النانو والهندسة والطب.
تمكن اثنان من علماء نظرية المعلومات الكمومية في معهد النانو بجامعة سيدني من حل مشكلة عمرها عقود من الزمن والتي تتطلب عددًا أقل من الكيوبتات لقمع المزيد من الأخطاء في الأجهزة الكمومية.
إن إزالة الإلكترونيات من الرقائق الدقيقة واستخدام الموجات الصوتية والضوئية طريق لإنشاء جيل جديد من الأجهزة عالية التقنية في تكنولوجيا الاستشعار والاتصالات.
