روباتهای نانومتری مبتنی بر دی ان ای، که روزگاری تنها رویاهای علمی-تخیلی محسوب میشدند، اکنون با تحولی بنیادین در عرصه مهندسی مولکولی به واقعیتی علمی تبدیل شدهاند؛ فناوریای که با بهرهگیری از ساختار مارپیچ دوگانه ژن حیات، قادر است تا در ابعاد بیسابقهی یک میلیاردی، سلولهای سرطانی را هدف قرار داده، ویروسها را خنثی کند و داروها را با دقتی فوقالعاده به مقصد برساند.
به گزارش سیناپرس، تصور روبات هایی در ابعاد آنقدر کوچک که قادر به شناسایی سلولهای سرطانی، تحویل مستقیم دارو به آنها یا خنثیسازی ویروسها پیش از آلوده کردن بافتهای سالم باشند، شبیه به داستانهای علمی-تخیلی به نظر میرسد. اما اگر این ماشینها از فلز یا پلاستیک ساخته نشده باشند، بلکه از همان مولکولی تشکیل شده باشند که نقشه حیات را حمل میکند چطور؟ این چشم اندازی است که ماشینهای مبتنی بر دی ان ای ارائه میدهند؛ حوزهای که از یک کنجکاوی آکادمیک محدود، به یکی از جاهطلبانهترین زمینههای علم و مهندسی تبدیل شده است.
مقاله مروری جدید منتشر شده در مجله SmartBot (اسمارتبات)، تکامل این ماشینهای مولکولی را از سادهترین ساختارهای دی ان ای تصور شده در دهه ۱۹۸۰ تا روباتهای امروزی که قادر به تشخیص ویروس، تحویل دارو و حتی انجام محاسبات پایه هستند، ردیابی میکند.
نویسندگان این مقاله، پژوهشگرانی از دانشگاه پکن، دانشگاه استنفورد و کینگز کالج لندن هستند که مسیر آینده این فناوری و موانع پیش رو را ترسیم کردهاند.
هسته اصلی استدلال مقاله این است که آینده ماشینهای دی ان ای تنها به زیستشناسان و شیمیدانان وابسته نیست، بلکه نیازمند همکاری مهندسان مکانیک، دانشمندان کامپیوتر و هوش مصنوعی است. ساخت یک روبات کاربردی در مقیاس مولکولی، نیازمند همان نوع تفکر طراحی است که برای ساخت موتور خودرو یا بازوی رباتیک کارخانه به کار میرود، با این تفاوت که در ابعادی یک میلیارد برابر کوچکتر ساخته می شود.
در دهه ۱۹۸۰، دانشمندی به نام نادریان سیمن (Nadrian Seeman) ایده عجیبی را مطرح کرد: استفاده از دی ان ای نه به عنوان حامل اطلاعات ژنتیکی، بلکه به عنوان ماده ساختمانی. او دریافت که ساختار مارپیچ دوگانه معروف دی ان ای و جفتشدن قابل پیشبینی چهار حرف شیمیایی آن، این ماده را به مصالحی ایدهآل در مقیاس مولکولی تبدیل میکند. پس از سالها تلاش محدود، در سال ۲۰۰۶، پال راتهموند (Paul Rothemund) تکنیک اوریگامی دی ان ای را معرفی کرد.
در این روش، یک رشته طولانی دی ان ای با استفاده از صدها رشته کوتاهتر که مانند گیرههای کاغذ عمل میکنند، به شکل دلخواه تا میشود. راتهموند این روش را با ساخت چهرههای خندان و ستارههای میکروسکوپی نشان داد.
با این حال، نویسندگان صادقانه محدودیتهای پیش رو در این زمینه را بیان میکنند. کوچکسازی اصول مهندسی فرآیند مستقیمی نیست. مفصلهای دی ان ای دائماً توسط لرزش تصادفی مولکولهای اطراف تحت تأثیر قرار میگیرند که منجر به لرزش موقعیتی شده و کنترل دقیق را دشوار میسازد. هرچه دستگاهها پیچیدهتر شوند، این بیثباتی انباشته شده به چالش بزرگتری تبدیل میشود.
برای توانبخشی و برنامهریزی این روباتها، رویکردهای خلاقانهای وجود دارد. میدانهای الکتریکی میتوانند دی ان ای را که بار منفی طبیعی دارد، جابهجا کنند. نانوذرات مغناطیسی اجازه هدایت خارجی با آهنربا را میدهند که برای کاربردهای پزشکی عمیق در بدن جذاب است.
نور و گرما نیز میتوانند باعث تغییر شکل شوند. اما شاید ظریفترین روش، جابجایی رشته باشد. در این روش، رشتههای جدید دی ان ای وارد محلول شده و با رشتههای موجود رقابت میکنند. با طراحی دقیق توالیها، پژوهشگران میتوانند مفصلها را به ترتیب مشخصی باز یا بسته کنند. این واکنشها معمولاً در عرض چند دقیقه تکمیل میشوند که برای ماشینهایی که نیاز به تغییر شکل سریع دارند، عملی است.
این ماشینها اکنون کاربردهای عملی پیدا کردهاند: ظرفهای مولکولی که تنها در حضور نشانگرهای بیماری باز شده و تحویل هدفمند دارو را انجام داده، گیرندههای ویروس و پیادهروهای مولکولی که بارهای مولکولی را در مسیرهای از پیش تعیین شده حمل میکنند. مزیت تولید انبوه این فناوری، امکان ساخت میلیاردها ساختار یکسان در یک آزمایش واحد است.
در نهایت، این مقاله تأکید میکند که ماشینهای دی ان ای یک فناوری کاملاً جدید هستند؛ نه نسخههای کوچکتر فناوریهای موجود. این روبات های هوشمند قرار است در آشوب حرارتی سلول های زنده عمل کرده و در عین حال با منطق دیجیتال رایانهها برنامهریزی میشوند.
مترجم: فاطمه کردی