Modułowy nanorobot z Bazylei może transportować enzymy i działać pod kontrolą pola magnetycznego

Naukowcy z Universität Basel opracowali modułowego nanorobota z magnetycznym modułem napędowym i kapsułą ładunkową. System samoczynnie składa się dzięki „molekularnemu rzepowi” z DNA, może transportować enzymy lub substancje czynne, a po użyciu zostać odzyskany, rozdzielony i ponownie wykorzystany.

W artykule:

• czym są nanoroboty i dlaczego nie przypominają klasycznych robotów
• jak działa modułowy nanorobot opracowany w Universität Basel
• rola magnetycznego napędu i kapsuły ładunkowej
• DNA jako programowalny „molekularny rzep”
• wyniki testów na komórkach HeLa
• potencjalne zastosowania w medycynie, katalizie, przemyśle i ochronie środowiska

Nanoroboty od lat pobudzają wyobraźnię, ponieważ kojarzą się z precyzyjnymi, mikroskopijnymi maszynami zdolnymi do działania w organizmie człowieka, środowisku naturalnym lub procesach przemysłowych. W praktyce nie są to jednak pomniejszone wersje klasycznych robotów. Nie zawierają układów elektronicznych, mikroprocesorów ani oprogramowania w tradycyjnym znaczeniu. Są konstruowane z biomolekuł, polimerów, nanocząstek i elementów reagujących na bodźce fizyczne lub chemiczne.

Zespół kierowany przez prof. dr Cornelię Palivan z Universität Basel opracował nanorobota, który może być bardziej elastyczny niż wiele dotychczasowych konstrukcji tego typu. Jak podkreślają autorzy, wcześniejsze nanoroboty często projektowano do jednej, ściśle określonej funkcji. Nowy system ma charakter modułowy, dzięki czemu można go potencjalnie dostosowywać do różnych zastosowań – od medycyny, przez przemysł, po technologie środowiskowe.

Napęd i kapsuła ładunkowa

Nanorobot opisany na łamach Advanced Functional Materials przypomina konstrukcyjnie rakietę księżycową złożoną z kilku modułów. Jeden z nich pełni funkcję magnetycznego modułu napędowego, który umożliwia przemieszczanie nanorobota. Drugi działa jak kapsuła ładunkowa, przeznaczona do ochronnego transportu enzymów lub substancji czynnych do miejsca działania.

Zespół prof. Palivan już wcześniej rozwijał nanometrowe pęcherzyki polimerowe, czyli polimerowe nanokontenery zdolne do ochrony zamkniętych w nich enzymów. Przez specjalne pory do wnętrza takich pęcherzyków mogą przedostawać się cząsteczki, które następnie są przetwarzane przez enzymy. Produkty reakcji wydostają się na zewnątrz przez te same lub podobne struktury porowe.

Kapsuła ładunkowa nowego nanorobota zawiera cztery takie pęcherzyki polimerowe obciążone enzymami. To właśnie one nadają systemowi określoną funkcjonalność. W zależności od projektu kapsuły pęcherzyki mogą być również celowo otwierane, na przykład po to, by uwolnić substancję czynną w wybranym miejscu.

DNA jako molekularny rzep

Oba moduły połączono za pomocą systemu opartego na DNA, określanego przez badaczy jako rodzaj „molekularnego rzepu”. Komplementarne nici DNA umieszczone na powierzchni obu modułów sprawiają, że moduł napędowy i kapsuła ładunkowa samoczynnie się łączą. Proces ten jest programowalny, ponieważ zależy od zaprojektowanego dopasowania sekwencji DNA.

Takie rozwiązanie pozwala na stabilne sprzężenie elementów nanorobota, a jednocześnie zachowuje potencjał do dalszej modyfikacji systemu. W praktyce oznacza to, że różne kapsuły ładunkowe można potencjalnie łączyć z tym samym typem modułu napędowego, a następnie dostosowywać cały układ do konkretnego zadania.

Testy na komórkach nowotworowych

Aby nanorobot mógł przyłączać się do określonych komórek lub materiałów, kapsułę ładunkową wyposażono dodatkowo w biomolekuły pełniące funkcję struktur dokujących. W badaniach laboratoryjnych naukowcy sprawdzili to na ludzkiej linii komórek nowotworowych HeLa.

Nanoroboty oznaczono cząsteczkami fluorescencyjnymi, co umożliwiło ich obserwację pod mikroskopem. Badacze zaobserwowali, że nanoroboty gromadziły się na powierzchni komórek. Następnie, po załadowaniu odpowiednimi enzymami, system produkował substancję o działaniu przeciwnowotworowym bezpośrednio w sąsiedztwie komórek nowotworowych.

W tym modelu eksperymentalnym żywotność komórek HeLa po 72 godzinach spadła do 16 procent. Jak wyjaśnia dr Voichita Mihali, pierwsza autorka badania, produkt reakcji enzymatycznej może działać lokalnie w wysokim stężeniu, jeżeli nanorobot zostanie ukierunkowany i nagromadzony przy komórkach nowotworowych.

Możliwość odzyskania i ponownego użycia

Istotną cechą systemu jest magnetyczny charakter modułu napędowego. Dzięki temu nanoroboty mogą być po zakończeniu zadania zbierane z użyciem pola magnetycznego. Ma to szczególne znaczenie w zastosowaniach pozamedycznych, na przykład w katalizie, procesach przemysłowych lub technologiach środowiskowych.

Badacze wykazali również, że oba moduły można ponownie rozdzielić. Kapsuły ładunkowe mogą zostać ponownie napełnione, a następnie ponownie połączone z modułami napędowymi. Taka architektura zwiększa praktyczną użyteczność systemu, ponieważ pozwala myśleć o nanorobocie nie jako o jednorazowej konstrukcji, lecz jako o platformie wielokrotnego zastosowania.

Platforma do różnych zastosowań

Modułowy nanorobot z Universität Basel jest krokiem w kierunku uniwersalnego narzędzia nanoskalowego, które można adaptować do różnych zadań przez zmianę kapsuły ładunkowej. W medycynie potencjalnym kierunkiem pozostaje celowany transport leków, enzymów lub innych cząsteczek aktywnych. W przemyśle i ochronie środowiska podobne systemy mogłyby służyć między innymi do prowadzenia reakcji katalitycznych, lokalnego przetwarzania związków chemicznych lub odzyskiwania aktywnych nanomateriałów po zakończeniu procesu.

Autorzy podkreślają jednak, że zastosowanie takiego rozwiązania u ludzi pozostaje celem długoterminowym. Obecne wyniki mają charakter eksperymentalny i pokazują przede wszystkim możliwości koncepcyjne oraz technologiczne modułowej platformy nanorobotycznej.

Prace przeprowadzono w ramach NCCR Molecular Systems Engineering oraz Swiss Nanoscience Institute. Zespół z Bazylei współpracował z naukowcami z Universität Heidelberg.

Źródło: Advanced Functional Materials, Multiplex Modular Nanorobotic Systems with Catalytic Activity under Magnetic Navigation. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202600079