Sejak tahun 1980an, desain dan sintesis mesin molekuler telah diidentifikasi sebagai tantangan besar bagi rekayasa molekuler. Robot adalah jenis mesin molekuler penting yang secara otomatis melakukan tugas nanomechanical yang rumit. Molekul DNA adalah bahan yang sangat baik untuk membangun robot molekuler, karena sifat geometrik, termodinamika, dan kinetik mereka dipahami dengan baik dan sangat dapat diprogram.
Sejauh ini, perkembangan robot DNA terbatas pada fungsi sederhana. Sebagian besar robot DNA dirancang untuk melakukan satu fungsi: berjalan dalam arah yang terkendali. Beberapa demonstrasi termasuk fungsi kedua dikombinasikan dengan berjalan (misalnya memetik nanopartikel atau memilih jalur di persimpangan). Namun, fungsi yang relatif lebih kompleks ini juga lebih sulit dikendalikan, dan kompleksitas tugasnya terbatas pada apa yang robot bisa lakukan dalam 3 sampai 12 langkah. Selain itu, setiap desain robot disesuaikan untuk tugas tertentu, menyulitkan upaya pengembangan robot baru yang melakukan tugas baru dengan menggabungkan fungsi dan mekanisme.
DNA nanorobot diprogram untuk mengambil dan mengurutkan molekul ke daerah yang telah ditentukan.
Bayangkan sebuah robot yang bisa membantu Anda merapikan rumah Anda: berkeliling, menyortir kaus kaki liar ke binatu dan piring kotor ke mesin pencuci piring. Sementara penolong praktis semacam itu mungkin masih menjadi bahan fiksi ilmiah, ilmuwan Caltech telah mengembangkan mesin molekuler otonom yang dapat melakukan tugas serupa – pada skala nano. “Robot” ini, yang terbuat dari satu untai DNA, dapat secara mandiri “berjalan” mengelilingi permukaan, mengambil molekul tertentu dan menurunkannya di lokasi yang ditunjuk.
Pekerjaan itu dilakukan di laboratorium Lulu Qian, asisten profesor bioteknologi. Ini muncul di sebuah makalah dalam terbitan 15 September di Science.
Mengapa Nanobots?
“Sama seperti robot elektromekanis dikirim ke tempat yang jauh, seperti Mars, kami ingin mengirim robot molekuler ke tempat-tempat yang sangat kecil dimana manusia tidak dapat pergi, seperti aliran darah,” kata Qian. “Tujuan kami adalah merancang dan membangun robot molekuler yang bisa melakukan tugas nanomechanical yang canggih: pemilahan kargo.”
Cara Membangun Robot Molekuler
Dipimpin oleh mantan mahasiswa pascasarjana Anupama Thubagere (PhD ’17), para periset membangun tiga blok bangunan dasar yang bisa digunakan untuk merakit robot DNA: sebuah “kaki” dengan dua “kaki” untuk berjalan, “lengan” dan “tangan” untuk memungut kargo, dan segmen yang bisa mengenali titik drop-off tertentu dan memberi isyarat ke tangan untuk melepaskan muatannya. Masing-masing komponen ini terbuat dari hanya beberapa nukleotida dalam satu untai DNA.
Pada prinsipnya, blok bangunan modular ini dapat dirakit dengan berbagai cara untuk menyelesaikan berbagai tugas – sebuah robot DNA dengan beberapa tangan dan lengan, misalnya, dapat digunakan untuk membawa banyak molekul secara bersamaan.
Dalam karya yang dijelaskan dalam makalah Science, kelompok Qian membangun sebuah robot yang bisa menjelajahi permukaan molekuler, mengambil dua molekul yang berbeda -pewarna kuning neon dan pewarna pink neon- dan kemudian mendistribusikannya ke dua wilayah yang berbeda di permukaan. Menggunakan molekul fluoresen memungkinkan para peneliti untuk melihat apakah molekul tersebut berakhir di lokasi yang diinginkan. Robot berhasil menyortir enam molekul yang tersebar, tiga warna pink dan tiga kuning, ke tempat yang benar dalam 24 jam. Menambahkan lebih banyak robot ke permukaan mempersingkat waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan tugas.
“Meskipun kami mendemonstrasikan robot untuk tugas spesifik ini, desain sistem yang sama dapat digeneralisasi untuk bekerja dengan puluhan jenis kargo di lokasi awal yang sewenang-wenang di permukaan,” kata Thubagere. “Seseorang juga bisa memiliki beberapa robot yang melakukan tugas pemilahan yang beragam secara paralel.”
Desain melalui DNA
Kunci untuk merancang mesin DNA adalah fakta bahwa DNA memiliki sifat kimia dan fisik yang unik yang diketahui dan dapat diprogram. Satu untai DNA terdiri dari empat molekul berbeda yang disebut nukleotida – disingkat A, G, C, dan T – dan disusun dalam sebuah string yang disebut urutan. Ikatan nukleotida ini pada pasangan tertentu: A dengan T, dan G dengan C. Bila satu untai bertemu dengan untai komplementer terbalik – misalnya, CGATT dan AATCG – kedua untaian itu digabungkan dalam bentuk heliks ganda klasik.
Untai tunggal yang mengandung nukleotida yang tepat dapat memaksa dua untaian sebagian zip ke unzip satu sama lain. Seberapa cepat setiap peristiwa zipping dan unzip terjadi dan berapa banyak energi yang dikonsumsinya dapat diperkirakan untuk urutan DNA tertentu, yang memungkinkan para periset mengendalikan seberapa cepat robot bergerak dan berapa banyak energi yang digunakannya untuk melakukan suatu tugas. Selain itu, panjang untai tunggal atau dua helai helai dapat dihitung. Dengan demikian, kaki dan kaki robot DNA dapat dirancang untuk ukuran langkah yang diinginkan – dalam kasus ini, 6 nanometer, yang kira-kira sepersejuta juta ukuran manusia.
Dengan menggunakan prinsip kimia dan fisika ini, periset tidak hanya bisa merancang robot tapi juga “taman bermain”, seperti pegboard molekul, untuk mengujinya. Dalam pekerjaan saat ini, robot DNA bergerak di sekitar pegboard 58-nanometer-by-58-nanometer di mana pasak dibuat dari untaian DNA tunggal yang melengkapi tungkai dan telapak kaki robot. Robot mengikatkan pada pasak dengan tungkai dan salah satu kakinya – kaki satunya mengapung dengan bebas. Ketika fluktuasi molekul acak menyebabkan kaki bebas ini untuk menemukan pegangan di dekatnya, ia menarik robot ke pasak baru dan kakinya yang lain terbebaskan. Proses ini berlanjut dengan robot bergerak secara acak pada setiap langkahnya.
Butuh waktu satu hari bagi robot untuk menjelajahi seluruh papan. Sepanjang jalan, saat robot menemukan molekul kargo yang tertambat pada pasak, benda itu menangkapnya dengan komponen “tangan” dan membawanya sampai mendeteksi sinyal titik penjatuhan. Prosesnya lamban, namun memungkinkan desain robot sangat sederhana yang memanfaatkan sedikit energi kimia.
Aplikasi Futuristik
“Kami tidak mengembangkan robot DNA untuk aplikasi tertentu. Laboratorium kami berfokus untuk menemukan prinsip-prinsip teknik yang memungkinkan pengembangan robot DNA tujuan umum,” kata Qian. “Namun, harapan saya agar peneliti lain dapat menggunakan prinsip-prinsip ini untuk aplikasi menarik, seperti menggunakan robot DNA untuk mensintesis bahan kimia terapeutik dari bagian penyusunnya di pabrik molekuler buatan, memberikan obat hanya jika diberikan sinyal khusus aliran darah atau sel, atau menyortir komponen molekuler di tempat sampah untuk didaur ulang. ”
