Robotický DNA nanosvět  
Deoxyribonukleová kyselina, tedy DNA, je úžasná molekula. Chemické vazby umožňují z vláken vytvářet dvouvlákna a pomocí enzymů je rozpojovat a následně navázat na jiné komplementární úseky DNA. Vlastnosti, které umožňují existenci pozemského života, se teď snaží využít vědci z různých oborů, aby společnými sílami stvořili robotický mikrosvět.

 

Zvětšit obrázek
Nanorobot „pavouk“ se prochází po povrchu tvořeném DNA origami. Cíl v nanometrové „dálce“ je označen červenou barvou. Dostane se k němu po trase, která je pro jeho končetiny z vláken DNA „přítažlivá“. Pomocí enzymatických reakcí se nožičky odpoutávají k dalšímu kroku. Kredit: Paul Michelotti / Caltech

Nejnovější vydání časopisu Nature zveřejňuje dva články na stejné téma – nanorobotika na bázi DNA. Výsledkem první práce je „nanopavouk“ z proteinu a DNA, který se dokáže pohybovat po trase předem naprogramované pomocí krátkých řetězců DNA. Druhá práce prezentuje miniaturní „dopravník“, sestavený také z předprogramovaného povrchu po kterém kráčí „nosič“ mezi "sklady zboží“, kde si nakládá nanočástice zlata. I tyto sklady mají formu DNA origami. Každá svou zlatinku nanorobotu vydá, nebo ne podle předem určeného programu. To vše se odehrává na podložce, jejíž delší rozměr představuje pouhé dvě desetitisíciny milimetru. 

Zvětšit obrázek
Časová posloupnost kroků, kterými se nanopavouk samostatně přesunul k cíli (červená značka). Barevnost bodů určuje, kolik času od startu uběhlo v příslušném kroku. Barevná škála napravo vyjadřuje čas.

 

V minulosti se DNA nanotechnologie pochlubily jednoduchými zařízeními připomínajícími například mikroskopické kleště, nebo po koberci z krátkých DNA úseků „kráčející“ vlákno deoxyribonukleové kyseliny. Pohyb obou typů zařízení řídily krátké uměle sestavené řetězce DNA, které působily v reakcích i jako enzymy.

Na Oslu jsme psali o zajímavých řešeních v článcích: DNA origami, Umělá DNA dokáže počítat, Nanotrubičky z DNA.


Nynější řešení v prvním ze zmíněných článků v Nature, jež je výsledkem spolupráce pěti známých amerických universit, má podobu asi 4 nm (4 miliontiny milimetru!) velkého DNA pavouka kráčejícího po 2 nm tlusté čtvercové podložce se stranou 100 nanometrů (desetitisícina milimetru!). Pavouček má tělo z bílkoviny streptavidin. Přes biotin (vitamin H) jsou k němu navázány čtyři krátké jednovláknové úseky DNA, přesněji DNAzymy, které slouží i jako katalyzátory reakcí nevyhnutných pro chůzi. Jenom tři z těchto čtyř "končetin" slouží k pohybu, jedna pavouka váže na startovní pozici.

 

Jakmile se pomocí dalšího spouštěcího krátkého řetězce DNA tato ukotvující vazba naruší (povel start), nanorobotík se samovolně vydá na cestu podle předem určené trasy. Navádějí ho krátká vlákna DNA trčící z povrchu podložky. Jsou k jeho třem nohám komplementární, to znamená, že jejich část tvoří posloupnost bází, která podle základního pravidla párování nukleotidových bází: adenin s tyminem a cytosin s guaninem, se spojí s končetinou pavouka a vytvoří s ní krátký úsek dvouvlákna DNA.

Zvětšit obrázek
Schematické znázornění kroků nejjednoduššího „nanochodce“ z roku 2008, předchůdce dnešních složitějších „nanopavouků“. Navázáním končetiny se na vodícím vláknu DNA na podložce otevře koncová smyčka. Ta přitáhne volný komplementární řetězec DNA, který končetinu uvolní tím, že ji v dvouvláknu nahradí. Na tomto principu funguje Seemenův nano-přepravce zlatých nanočástic. Kredit: National Science Foundation

 

Pravidla komplementarity každou nohu navigují jenom k jednomu typu vlákna podložky s vhodnou posloupností bází. Je na vědcích, aby DNA cestu správně poskládli (naprogramovali), aby po ní nanopavouk  mohl kráčet po předem určené trase a řídil se příkazy: „start“, "změň směr" a „stop“.

A jak se končetiny odpoutávají od podložky?

Vlákno „nohy“ – DNAzym - není jenom sekvence DNA, která má k vodícímu vláknu na podložce „kompatibilní“ sekvenci nukleotidů, jež umožňuje vytvoření kotvícího dvojvlákna. Obsahuje i část působící jako enzym, který to kotevní lano jednoduše rozštěpí na dva kratší úseky. Tím se vazba "končetina – vodící vlákno" výrazně oslabí. Když se noha uvolní, naváže se na nové komplementární vlákno v dosahu a enzymem odstřihnutá část toho předcházejícího zůstává za pavoukem. Ten tedy když kráčí, připojuje se na vodící vlákna vystupující z podložky, přičemž je částečně degraduje a jejich části za sebou zanechává jako drobky. Protože nová spojení jsou pevnější (do chvíle než se také rozštěpí) táhnou pavouka směrem, kde předtím nebyl a omezují jeho případný zpáteční pohyb. „Stop“ vlákna nemají úsek, který enzymatická část končetiny rozstříhává a tak pavouka napevno ukotví (odborný článek s vysvětlením). Předci pavouka zvládali jenom pár kroků, tento jich dokáže udělat asi padesát.


"Ukázali jsme jak řídit chování (DNA nanopavouka) naprogramováním povrchu," vysvětluje Milan Stojanović, inženýr v oboru biomedicíny na Kolumbijské universitě. Protože samotný nanorobot je příliš malá struktura, která neumožňuje uložení více informací pro různé úkoly, složitost celého systému lze zvyšovat pomocí programovatelného okolního prostředí. V tomto případě to umožňuje podložka z DNA, na které je možné dráhu pohybu pavoučka přestavovat. Další možností je výměna nožiček za vlákna s jinou posloupností nukleotidů. Umožňuje to připojení přes biotin.

Zvětšit obrázek
Budou DNA nanoroboti jednou jako miniaturní raketoplány létat kosmem našich těl a přesně na místo určení dopravovat náklady léků, nebo opravnou četu enzymů, či DNA? Z filmu: Fantastic Voyage

 

Autory druhého článku v časopisu Nature je americko-čínská čtveřice vedená pionýrem v oblasti DNA nanotechnologií, Nadrianem Seemanem z New York University. Tento malý tým dokázal kombinací tří různých DNA nanostruktur vytvořit "dopravníkovou linku". Také jde o v podstatě stejného „nanochodce“ pohybujícího se na podložce po trase vytýčené krátkými vlákny DNA. Systém zahrnuje i tři automatické nakládací stanice umístěné v trase kráčejícího robota. Každou z nich je možné samostatně naprogramovat, jestli náklad v podobě krátkého úseku DNA s nanočásticí zlata odevzdá, nebo ne. Zlatý náklad si chodící nanorobot upevní pomocí jednoho ze tří krátkých "upevňovacích" vláken DNA, které je komplemetární k nosnému úseku se zakonponovanou zlatinkou. Maximálně vytížený nosič odnese tři zlatá břemna. Stabilitu při chůzi zajišťují čtyři DNA končetiny.

Seemanův chodící nanonosič se nepohybuje zcela autonomně. Na odpoutání končetiny od povrchu je nevyhnutné, aby se v okolitém prostředí nacházelo volné krátké vlákno DNA s takou posloupností bází, která nahradí spojení s končetinou, čímž ji osvobodí. Vzdálenost, kterou se tomuto kráčejícímu nanonosiči dosud podařilo překonat, nepřesáhla 200 nm. 

Zvětšit obrázek
DNA přepravník – snímky z rastrovacího mikroskopu sledují pohyb zlatých nanočástic, které po předem naprogramované trase přepravuje miliontiny milimetru drobný kráčející nanorobot. Černá úsečka představuje měrku 50 nm. Kredit: Ned Seeman /New York University

 

Vědci s nadějí slibují, že v budoucnu by tato, zatím spíše sofistikované hrátky připomínající nanotechnologie mohla být využita například při opravě poškozené tkáně uvnitř lidského těla.

 

 

 

 

Zdroje: Nature 1  , 2  , Caltech

Datum: 14.05.2010 17:48
Tisk článku

Sémiotické primitivy v konstrukci gramatik - Faltýnek Dan
 
 
cena původní: 220 Kč
cena: 185 Kč
Sémiotické primitivy v konstrukci gramatik
Faltýnek Dan

Diskuze:

Nepredvídateľné vzťahy

Milan Závodný,2010-05-21 08:03:17

J.Flégr v knihe "Zamrzlá evoluce" popisuje veľmi podrobne vari všetky možné druhy vzťahov organizmov. Osou jeho teórie je tvrdenie, že iba asi 2% organizmov sú náchylné ku zmene, ostatné sú tzv. zamrznuté - bránia sa zmene i za cenu vyhynutia. Teda ak sa objaví nový organizmus - potenciálna potrava - nebude "zožraný", skôr naopak, bude nestráviteľný, lebo nie sú vytvorené niky na jeho absorpciu do kolobehu živín. Napr. sírne baktérie by tiež asi neboli hitom v potravinovom reťazci pre prvoky napr. v pôde. Teória J.Flégra je absolútne uznávaná, a nie je s ňou sám. Nový organizmus by bol pravdepodobne úplne ignorovaný.
Dokázať sa to nedá. Ide mi však o iné: Na túto tému som už "zopár" kníh prečítal, ale nikde, ani slovíčkom sa nikto nezmienil, prečože život nevzniká stále, a ani opačne: Nevzniká preto, lebo by bol okamžite pohltený - ani slovíčka pre ani proti, proste nič. Život vznikol, nevie sa ako, a odvtedy funguje.

Odpovědět

pre p. Barak Obava

Milan Závodný,2010-05-19 21:52:39

Tuším máte obavu o barák?... To bol vtip.
Nie, ja neignorujem, ja vlastne celý čas apelujem na podivnosť snáh o hľadanie života na Marse a inde v spojitosti s tekutou vodou a vhodnými teplotami, keď na Zemi máme super podmienky, a iný život nevzniká. Nesúhlasím s názorom, že naše mikroorganizmy by zničili tie nové - cudzie. Tu vstupuje celá ohromná zložitosť vzťahov organizmov, ale nijako z nich nevyplýva, že by jeden z nich mal mať automatickú nevýhodu, nech už je tvorený akokoľvek kombináciou génov - hoci aj cudzích. V mikrosvete máločo zaniká, väčšinou sa transformuje.

Odpovědět


Re:

Vít Výmola,2010-05-20 12:28:00

Nesouhlasím. Sice nikdo neví, zda život na Zemi nevznikl víckrát, dokonce i v průběhu vývoje dnešního známého života. Představme si ale, že třeba teď zrovna nový život vznikl, třeba u mě na zahradě. Co se stane? Pokud nepůjde o chemicky naprosto nekompatibilní útvar (např. křemíkový), tak bude se svou naprosto nulovou obranyschopností sežrán. Není přitom pravda, že by po něm zbyla nějaká DNA stopa, protože pro jiný organismus (predátora) jde jenom o chemicky využitelnou strukturu, nic víc.

Odpovědět


Barak Obava,2010-05-20 14:23:14

Jistěže má nově vzniklý organismus automatickou nevýhodu, evoluční, několik miliard let mu chybí, proto jeho šance na přežití jsou nulové. Je úplně jedno, jestli tomu říkáte sežrat nebo transformovat ;-)

Odpovědět


Jan Valečka,2010-06-02 00:05:06

Podle mě se nový život ani nemá šanci dostat do stádia, kdy bych mu říkal organismus, pokud tedy bude na podobných základech jako ten současný. Potřebné organické látky prostě někdo sežere dřív, než stačí vytvořit dostatečně sofistikovanou strukturu, která by se dokázala efektivně množit. Myslím, že vznik života je poměrně dlouhotrvající proces, na který prostě už nikde na světě není klid. Nehledě na to, že nejspíš v porovnání se světem kdysi je současné prostředí dost vyčerpané a chudé na potřebné organické látky, v porovnání s tou "polévkou", která tu asi byla kdysi. Nejde jen o teplou vodu, jsou potřeba i stavební kameny, navíc pro prvotní neefektivní metabolismus v dostatečné koncentraci. Tím pádem vznik života a jeho rozvinutí zabraňuje dalšímu vzniku života. Jinde ale můžeme hledat jiný život, který vznikl tam jako první a vesele blokuje tamní prostředí pro vznik druhé vlny života, i kdyby ve výsledku časem měla perspektivu ten první vytlačit.

Odpovědět

pre p. Frivaldskeho

Milan Závodný,2010-05-17 09:09:45

Viete, čítal som, že vedci sa prú o to, či bola skôr DNA alebo RNA, väčšina sa prikláňa k prvej verzii, ale istá skupina dokazuje, že to bola RNA ako prvý samoreplikant. Tieto dve kyseliny sa líšia v jednej chemickej báze /neovládam správne názvoslovie/, vyzerajú práve ako dva nezávisle vzniknuté prvopočiatky života. Ide o to, že sa nikto zvlášť nezamýšľa, prečo sa nevyskytli ďalšie kombinácie aminokyselín, prečo iba tieto dve, keď 4 miliardy rokov sa tu doslova varí aminokyselinová polievka, ale nové dvojité skrutkovice nevznikajú.
Nedávno som čítal, že istý vedecký tým sa ako prvý pokúsil naznačiť, že život vznikol v podmienkach ťažkého bombardovania v tlakom atakovaných horninách a v prítomnosti aminokyselín. Také podmienky panovali na Zemi iba niekoľko stotisíc rokov, a iba ony boli tou správnou liahňou života, teda vôbec nie teploty teplého kúpeľa. Také podmienky teraz panujú iba v hlbinách Venuše, nikde inde.
Myslím, že veda je blízko k objavu vzniku života, len keby na ten výsku išlo viac peňazí. Zaráža ma však, že sa skalopevne verí v "teplé bazény", keď tie tu máme 4 miliardy rokov, a bez jediného pozitívneho prípadu. To, čo príroda nasimulovala za 4 miliardy rokov, to žiadne laboratórium nedokáže. A všade sa píše iba o genetickom prazáklade spoločnom všetkým organizmom. Žiadne výnimky, ani žiadne úseky DNA podozrivé z inakosti... o tom som nečítal ani slovo.

Odpovědět


Dalibor Frivaldsky,2010-05-18 12:20:14

Videl som nejake pokusy, kde simulovali dopad meteoritu v prostredi s aminokyselinami. Vysledky ukazovali, ze za extremneho tlaku a teplot nedoslo k ich zniceniu ale vzniku este zlozitejsich molekul. Takze ano, asi mozeme predpokladat, ze obdobie velkeho bombardovania bolo klucove pre vznik DNA a/alebo RNA ( a teda zivota ) a bolo priliz kratke pre vznik inych kombinacii. Tieto podmienky ale neboli unikatne pre planetu Zem a presli nimi, a prechadzaju, asi vsetky (terestrialne?) planety a mesiace pocas ich rannych stadii. DNA a RNA je ale len kod, to este nie je zivot. Zivot je az to, co z toho vznika a mnozi sa. Na to su treba asi trosku kludnejsie podmienky, napriklad teple bazeniky

Odpovědět


Milane

Barak Obava,2010-05-18 17:56:32

vy úplně ignorujete skutečnost, že když život na Zemi vznikal, pokud to tak bylo, tak tu žádný nebyl, čili situace se značně lišila od té současné. Myslím, že život tam, kde už je ho tolik jako na Zemi, znovu vzniknout nemůže z toho prostého důvodu, že cokoli čerstvě vzniklého je okamžitě sežráno podstatně sofistikovanějšími organismy, kterých je všude plno.

Odpovědět

Informácii nikdy nie je dosť.

Milan Závodný,2010-05-16 18:10:57

Ďakujem za informácie. Predpoklad, že v genetickom zápise sa môžu nachádzať prípadné ďalšie úspechy prírodného laboratória, je pre mňa úplné nóvum. Myslel som, že každý úsek DNA je obrazne novým konárom na už existujúcom prazáklade. Ak by "konáre" mali predstavovať ďalší život od nuly, museli by byť chemicky viazateľné. Museli by sme ich nachádzať voľne v prírode. Už sme preskúmali strašne veľa z mikrosveta, niet tam ani stopy po "iných" úsekoch DNA podozrivých zo samoreplikácie a schopných splynúť so živými organizmami. Nie, ja myslím, že vznik života sa odohral iba raz. A to náhodne, možno mu vyhovovali skôr tie brutálne podmienky na Prazemi, a tá po ochladení uchovala prapolievku.
Život inde vo vesmíre bude mimoriadne vzácny, možno nie viac, ako 1 prípad na vhodnú galaxiu, navyše roztratený v časových epochách 5-10 miliárd rokov.

Odpovědět


Dalibor Frivaldsky,2010-05-16 19:25:56

Vy ale stále beriete ako samozrejmosť, že ak by vznikol život odznova, musel by byť natoľko odlišný od toho existujúceho, že prípadné splynutie DNA by bolo jednoznačne rozpoznateľné. To je podľa mňa veľmi odvážne tvrdenie, keďže prvorade sa musí život prispôsobiť prostrediu, nie naopak. Druhá vec je, že DNA všetkých druhov nie je zmapovaná, takže o viacerých koreňoch môžme len špekulovať. V prírode sú však prípady, ktoré by tomu mohli naznačovať, napríklad vetvy húb, rastlín a živočíchov. Keďže sú medzi sebou výrazne odlišné a neexistujú nejaké medzi stupne ( ktoré sú viditeľne v živočíšnej či rastlinnej ríši ), za ich vznikom môže byť aj radikálnejší mechanizmus, ako len náhodná mutácia. Nie som síce biológ, ale možno vznik ďalšieho života ako príčina nemusí byť vylúčiteľný.

Odpovědět

Ešte raz:

Milan Závodný,2010-05-16 16:08:24

Všetky teórie o vzniku života predpokladajú podmienky, aké sú tu i teraz /napr. na Marse nie sú/. Čiže teplé bazény, horninový základ, sopečné komíny, UV-žiarenie na dopadovom materiály... V každom prípade vhodné teploty, voda, organické molekuly. To všetko je na Zemi asi 4 miliardy rokov. A nič. Len raz.
Žiadny mikroorganizmus nezaniká v "konkurenčnom boji", vie sa veľmi rýchlo zmeniť na symbionta alebo parazita, jeho DNA prežíva v novom organizme, preto niet dôvod predpokladať, že by náš život atakoval ten iný. Ako žijú organizmy vedľa seba v nejakom vzťahu, tak by nutne museli vedľa seba existovať rôzne formy samoreplikujúcich sa organizmov. Evolúcia nie je o zabíjaní, ale o prežití, a to za akúkoľvek cenu.
Vôbec tým nesmerujem k tomu, že tu život zasiali čarodejníci akéhokoľvek druhu. Iba apelujem na prehliadaný fakt: Život vznikol extrémne mimoriadnou náhodou, preto niet dôvod hľadať ho v okolí Zeme, určite tam žiadny nie je, iba ak ten náš, zanesený pádom asteroidu na Zem.

Odpovědět


Málo znalostí

Dalibor Frivaldsky,2010-05-16 17:02:59

Tak ako už bolo povedané, o vzniku života sa toho vie veľmi málo. Vôbec nemusí byť vylúčené, že život vznikol, a stále vzniká viac krát. Keďže je to ale stále vo veľmi podobných podmienkach ako už existujúci život, je podľa mňa veľmi pravdepodobné, že bude vyzerať podobne a bude postavený na kompatibilnom základe ( DNA ). Ako bolo uvedené aj v nedávnom článku ( http://osel.cz/index.php?clanek=5024 ), genetické informácie sa nešíria len rozmnožovaním, ale existujú mechanizmy aj pre iný druh ich šírenia. Ná základe tohoto môžem predpokladať, že pri vzniku ďalšieho života došlo k jeho asimilácii už existujúcim životom. Čo sa týka hľadania života niekde inde... naša predstava života je veľmi obmedzená na to, čo máme tu na Zemi. Život v iných podmienkach môže vyzerať úplne inak a neexistuje žiadny dôkaz, že jeho vznik je veľmi veľká zhoda okolností. Na také tvrdenie máme vesmír, i len našu slnečnú sústavu, zmapovaný veľmi málo

Odpovědět

Upresním otázku

Milan Závodný,2010-05-16 07:34:54

Prečo už život nevzniká, keď má ideálne podmienky? Aký zmysel má hľadať ho na Marse, keď Zem je - obrazne povedané - mŕtva, až na ten jeden prípad?
Už dávno nie som vyznavačom "vesmíru plného života" jednoducho preto, že život u nás už 4 miliardy rokov má na ružiach ustlané, a on nie a nie vzniknúť. Naše organizmy tomu cudziemu neurobia nič jednoducho preto, že na mikroúrovni sa informácia prakticky nestráca, iba sa transformuje. A o tom, že vesmír mlčí, keď ide o inteligentné prejavy života, o tom smeruje diskusia k úvahám o sebazničení - zákonitom.

Odpovědět


Petr Foltyn,2010-05-16 09:39:46

Já nevím, ale proč své tvrzení stavíte na předpokladu, že život vznikl "evolucí" na Zemi? Mohl být dotažen z kosmu, mohl být vytvořen "inteligentním konstruktérem" nebo Bohem. Co torie více dimenzí, teorie Metrixu :) Jen tvrdím, že za našeho života se spolehlivě nedozvíme jak život vzniknul, čím byl nastartován či dotažen..

Odpovědět


Dagmar Gregorova,2010-05-16 09:58:19

Ako Vám napísal pán Novák, život na počiatku nemusel vzniknúť na jednom mieste. Ale o vzniku života vieme tak málo, že zatiaľ sú tieto konkrétne úvahy tak trochu špekuláciou a na Vašu otázku Vám (zatiaľ) nikto nedá jednoznačnú odpoveď. Nie je vôbec vylúčené že nejaký najjednoduchší "život" vznikol už pred obdobím veľkého bombardovania a počas neho zanikol..
(viď vo wikipedii Pozdní velké bombardování)
Nie je to môj "výmysel", takéto úvahy už vedci publikovali.
Ale Vy smerujete trochu inam... prečo nepozorujeme vznik teraz. Možno preto, že podmienky na planéte sa AJ pôsobením samotného života zmenili natoľko, že tento počiatočný proces nemá možnosti. Ak by napríklad "klasický" Miller-Ureyho experiment bol tým správnym návodom ako to na počiatku mohlo vznikať, už to vylučuje možnosť, aby sa to opakovalo v súčasnosti. To, že nevieme za krátky čas v laboratóriách replikovať vznik najjednoduchšej samoreplikovateľnej bunky nie je dôkazom nemožnosti jej vzniku podmienkach mladej planéty. Tie podmienky sa ale výrazne od tých súčasných odlišovali.

Odpovědět

Prečo iba raz vznikol život?

Milan Závodný,2010-05-15 16:44:48

Kto vie, nech mi, prosím, odpovie: Na Zemi už 4 miliardy rokov panujú dobré až výborné podmienky na vznik života. Prečo vznikol iba raz? Ak je moja otázka úsmevná, potom mi vysvetlite, či nie je úsmevné hľadanie života na Marse a inde, keď tam celý ten čas boli podmienky oveľa horšie.

Odpovědět


život

Jiří Novák,2010-05-15 22:48:44

Ale on právě nikdo neví, kolikrát život na Zemi vzniknul. Ví se jen tolik, že všechny dnes známé organismy pocházejí z jediného předka. Život klidně mohl vzniknout na několika místech na Zemi nezávisle, ale dodnes pravděpodobně přetrvali jen potomci jednoho tohoto vzniku.
Snad byl život na jiné bázi méně odolný, snad se vyvíjel pomaleji a nedokázal vzdorovat našim rychleji se množícím předkům, snad pomohla náhoda? Nebo opravdu byl jen jeden jediný vznik? Těžko říct.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni














Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace