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1 Motores de DNA rolantes computadorizados movem a robótica molecular para o próximo nível 1

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"Uma de nossas grandes inovações, além de fazer com que os motores de DNA realizem cálculos lógicos, é encontrar uma maneira de converter essas informações em um sinal de saída simples - movimento ou nenhum movimento", diz Selma Piranej, candidata a doutorado em química da Universidade da Emory,e primeiro autor do artigo."Este sinal pode ser lido por qualquer pessoa que segura um telefone celular equipado com um acessório de ampliação barato."

"O avanço de Selma remove os principais obstáculos que impediram o caminho de tornar os computadores de DNA úteis e práticos para uma variedade de aplicações biomédicas", diz Khalid Salaita, autor sênior do artigo e professor de química da Emory na Emory University.Salaita também está na faculdade do Wallace H.Departamento de Engenharia Biomédica de Coulter, um programa conjunto da Georgia Tech e Emory.

Os motores podem sentir informações químicas em seu ambiente, processar essas informações e depois responder de acordo, imitando algumas propriedades básicas das células vivas.

"Os computadores de DNA anteriores não tiveram o movimento direcionado", diz Salaita."Mas, para obter operações mais sofisticadas, você precisa combinar o cálculo e o movimento direcionado.Nossos computadores de DNA são essencialmente robôs autônomos com recursos de detecção que determinam se eles se movem ou não."

Os motores podem ser programados para responder a um patógeno ou sequência de DNA específica, tornando -os uma tecnologia potencial para testes médicos e diagnósticos.

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Outro avanço essencial é que cada motor pode operar de forma independente, sob diferentes programas, enquanto implantado como um grupo.Isso abre a porta para uma única variedade massiva de motores do tamanho de mícrons para realizar uma variedade de tarefas e executar comunicação motor para motor.

"A capacidade de os motores de DNA se comunicarem é um passo para produzir o tipo de ação complexa e coletiva gerada por enxames de formigas ou bactérias", diz Salaita."Isso pode até levar a propriedades emergentes."

A nanotecnologia de DNA aproveita a afinidade natural pelas bases de DNA A, G, C e T para se unir.Ao mover a sequência de letras em fios sintéticos de DNA, os cientistas podem fazer com que os fios se unem de maneiras que criam formas diferentes e até construir máquinas de funcionamento.

O Salaita Lab, líder em biofísica e nanotecnologia, desenvolveu o primeiro motor baseado em DNA em 2015.O dispositivo foi 1.000 vezes mais rápido que qualquer outro motor sintético, rastreando o campo crescente da robótica molecular.Sua alta velocidade permite que um microscópio de telefone inteligente simples capture seu movimento através do vídeo.

O "chassi" do motor é uma esfera de vidro do tamanho de mícrons.Centenas de fios de DNA, ou "pernas", podem se ligar à esfera.Essas pernas de DNA são colocadas em uma lâmina de vidro revestida com o RNA do reagente, o combustível do motor.As pernas de DNA são atraídas para o RNA, mas assim que pisaram nela, eles o apagam através da atividade de uma enzima que está ligada ao DNA e destrói apenas o RNA.À medida que as pernas se ligam e depois liberam do substrato, elas continuam guiando a esfera.

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1 Computerized, rolling DNA motors move molecular robotics to next level 1


Quando Piranej ingressou no Salaita Lab em 2018, ela começou a trabalhar em um projeto para levar os motores de rolagem para o próximo nível, construindo na lógica de programação de computadores.

"É um objetivo importante no campo biomédico para aproveitar o DNA para computação", diz Piranej."Eu amo a ideia de usar algo que é inato em todos nós para projetar novas formas de tecnologia."

O DNA é como um chip de computador biológico, armazenando grandes quantidades de informação.As unidades básicas de operação para computação de DNA são fios curtos de DNA sintético.Os pesquisadores podem mudar o "programa" do DNA ajustando as seqüências de AGTC nos fios.

"Ao contrário de um chip duro e de silício, computadores e motores baseados em DNA podem funcionar em água e outros ambientes líquidos", diz Salaita."E um dos grandes desafios na fabricação de chips de computadores de silício é tentar embalar mais dados em uma pegada cada vez maior.O DNA oferece o potencial de executar muitas operações de processamento em paralelo em um espaço muito pequeno.A densidade das operações que você pode executar pode até ir para o infinito."

O DNA sintético também é biocompatível e barato para fazer."Você pode replicar o DNA usando enzimas, copiando e colando quantas vezes quiser", diz Salaita."É praticamente livre."

As limitações permanecem, no entanto, no campo nascente da computação de DNA.Um obstáculo importante é tornar a saída dos cálculos facilmente legíveis.As técnicas de corrente dependem fortemente da marcação de DNA com moléculas fluorescentes e depois medir a intensidade da luz emitida em diferentes comprimentos de onda.Este processo requer equipamentos caros e complicados.Ele também limita os sinais que podem ser lidos aos presentes no espectro eletromagnético.

Embora treinado como químico, Piranej começou a aprender o básico da ciência da computação e mergulhar na literatura de bioengenharia para tentar superar esse obstáculo.Ela teve a idéia de usar uma reação bem conhecida em bioengenharia para executar o cálculo e combiná-lo com o movimento dos motores de rolagem.

A reação, conhecida como deslocamento da fita mediada por toques, ocorre no DNA duplex-dois fios complementares.Os fios estão se abraçando firmemente, exceto por um final solto e frouxo de um fio, conhecido como o dedo do pé.O motor rolante pode ser programado revestindo -o com DNA duplex que é complementar a um alvo de DNA - uma sequência de interesse.

Quando o motor molecular encontra o alvo de DNA enquanto rola ao longo de sua pista de RNA, o alvo de DNA se liga ao dedo do pé do DNA duplex, o separa e ancora o motor no lugar.O computador lido se torna simplesmente "movimento" ou "sem movimento."

"Quando vi esse conceito pela primeira vez durante um experimento, fiz esse som muito alto e empolgado", lembra Piranej."Um dos meus colegas veio e perguntou: 'Você está bem?'Nada se compara a ver sua ideia ganhar vida assim.Esse é um ótimo momento."

Esses dois portões lógicos básicos de "movimento" ou "sem movimento" podem ser amarrados para criar operações mais complicadas, imitando como os programas de computador regulares se baseiam nos portões lógicos de "zero" ou "um."

Piranej levou o projeto ainda mais longe ao encontrar uma maneira de levar muitas operações de computador diferentes e ainda ler facilmente a saída.Ela simplesmente variou o tamanho e os materiais das esferas microscópicas que formam o chassi para os motores rolantes à base de DNA.Por exemplo, as esferas podem variar de três a cinco microns de diâmetro e ser feitos de sílica ou poliestireno.Cada alteração fornece propriedades ópticas ligeiramente diferentes que podem ser distinguidas através de um microscópio de telefone celular.

O Salaita Lab está trabalhando para estabelecer uma colaboração com cientistas no Atlanta Center for Microsystems Engineered Point of Care Technologies, um centro financiado pelo NIH estabelecido por Emory e Georgia Tech.Eles estão explorando o potencial para o uso da tecnologia de computação em DNA para diagnóstico doméstico do CoVID-19 e outros biomarcadores de doenças.

"Desenvolver dispositivos para aplicações biomédicas é especialmente gratificante porque é uma chance de causar um grande impacto na vida das pessoas", diz Piranej."Os desafios deste projeto tornaram mais divertido para mim", acrescenta ela.