Ученые из Людвиг-Максимилианского университета в Мюнхене, Университета Эмори и Технологического института Джорджии представили новую категорию автономных нанороботов, созданных на основе перепрограммируемых массивов ДНК-оригами. Эти миниатюрные структуры работают как гибкие сети из двухсостояниях ДНК-элементов, которые можно настроить так, чтобы они реагировали на изменения окружающей среды.
Исследователи отмечают, что сами по себе такие перенастраиваемые массивы были впервые предложены еще в 2017 году в лаборатории Йонгана Ке. Последующие годы ученые изучали, как именно «переключаются» их узлы и как можно управлять этой трансформацией. Постепенно стало ясно: эти массивы могут стать основой для функциональных роботизированных систем на уровне молекул.
«Мне хотелось увидеть правила этих преобразований — визуализировать состояние отдельных узлов массива с помощью специальных красителей и спектроскопии одиночных молекул», — вспоминает со-автор исследования Филипп Тиннефельд.
Как устроены нанороботы из ДНК
Работа, опубликованная в Science Robotics, продвигает идею программируемых нанороботов, способных выполнять многошаговые операции. Причем энергия для их работы может храниться прямо внутри ДНК-структур — достаточно заранее «завести» систему, как игрушечную машинку, которую запускают, накручивая пружину.
Команды из Германии и США долго изучали, как изменяется форма ДНК-массивов и какие последовательности в узлах отвечают за их переключение. В 2024 и 2025 годах они опубликовали две ключевые работы, заложившие основу для создания более сложных преобразующихся систем.
Решающим шагом стало наблюдение аспиранток Фионы Коул и Мартины Пфайффер: они поняли, что массивы оригами можно рассматривать как своеобразное «аппаратное обеспечение», где каждый узел — независимый функциональный блок. Такой подход позволил расширить традиционную модель, в которой ДНК-оригами существовали лишь в двух конфигурациях.
Исследователи предложили использовать каждый узел как программируемый компонент — например, превращать его в блок-замок, модуль задержки сигнала, узел передачи информации или даже систему сброса «груза». Фактически на молекулярном уровне они создали аналог программного обеспечения, управляющего биологическим «железом».
Еще одно важное достижение — возможность «заряжать» массивы ДНК заранее, вводя нити-триггеры, которые хранят энергию в форме молекулярного напряжения. «Получается миниатюрная машина с собственным “наноаккумулятором”», — объясняет Ке.
Демонстрация автономной работы
Массивы включают десятки связанных «анти-узлов», и каждый можно модифицировать для выполнения отдельной функции. Благодаря связи между ними такие блоки способны обмениваться сигналами и запускать каскады преобразований. Ученым удалось продемонстрировать: каждый узел может действовать самостоятельно — выдавать сигнал или высвобождать крошечный «груз» по команде.
«Когда мы протестировали все функциональные элементы и объединили их в одном массиве, у нас действительно появился автономный наноробот с программируемыми задачами», — отмечает Ке. Команда сравнивает систему с FPGA-чипами — программируемыми логическими матрицами, где конфигурация железа определяется набором инструкций.
Потенциальные применения
Хотя технология пока находится в исследовательской стадии, ее возможности впечатляют. В отличие от традиционных ДНК-наноструктур, которые взаимодействовали главным образом с другими нуклеиновыми кислотами, новый наноробот способен работать с белками, молекулами и даже светом. Автономность, основанная на аллостерических молекулярных процессах, делает систему особенно перспективной — например, для медицины, диагностики или доставки препаратов.
Команда планирует адаптировать наноробота к разным условиям и исследовать альтернативные источники энергии. «Мы собираемся проработать и проблему энергоснабжения, используя концепции броуновских вычислений на ДНК», — отмечают Тиннефельд и Ке. Возможны и более радикальные улучшения — например, переход от плоской 2D-конструкции к полноценному 3D-роботу или использование света для работы системы.
Создание автономных ДНК-нанороботов — важный шаг в развитии молекулярной робототехники. Перенастраиваемые массивы оригами превращаются в своеобразные биологические микрокомпьютеры, где каждый элемент можно перепрограммировать под нужную задачу. И хотя путь к клиническим применениям еще впереди, сама концепция открывает дорогу к новым формам наномашин, способных работать самостоятельно — без внешнего «топлива» и с высокой степенью гибкости.
