3 Nanorobôs moleculares Molecular nanorobots

Transcrição

1 3 Nanorobôs moleculares Molecular nanorobots

2 Imagine um robô que o ajudasse a manter a sua casa limpa e arrumada: aspirando as divisões da casa, colocando os pratos sujos na máquina de lavar, separando as meias que vieram de ser lavadas, e etc.

3 Cientistas da CalTech (California Institute of Technology) desenvolveram uma máquina molecular autónoma que pode desempenhar uma tarefa semelhante numa escala nano. Este nanorobô, feito de um single strand of DNA, pode andar ( walk around ) numa superfície de forma autónoma, apanhar ( pick up ) certas moléculas e colocá-las ( drop them off ) em locais predeterminados. O trabalho foi feito no laboratório ( of bioengineering ) do Prof. Lulu Qian na CalTech e foi publicado na Revista científica Science (issue of September 15, 2017)

4 Mas porque nanorobôs? O Prof. Lulu Qian explica desta forma: Da mesma forma que enviamos robôs ( electromechanical ) para lugares distantes, como no planeta Marte, também gostaríamos de enviar robôs ( moleculares ou nanorobôs) para lugares minúsculos onde os humanos não podem ir, tal como a corrente sanguínea ( bloodstream ). Nossa meta foi (palavras do Prof. Lulu Qian): fazer o design e construir um robô molecular que pudesse desempenhar a sofisticada tarefa ( sophisticated nanomechanical task ) de distribuição da carga ( cargo sorting ).

5 Como construir um nanorobô molecular ( molecular nanorobot )? Os investigadores construíram três blocos construtores básicos ( basic building blocks ) que podem ser usados para montar um DNA robot : uma perna ( leg ) com dois pés ( feet ) para caminhar, um braço ( arm ) e uma mão ( hand ) para poder agarrar a carga, e um segmento que pode reconhecer um ponto específico de descarga ( drop-off point ) e um sinal de largar para a mão ( hand ) soltar a carga.

6 Cada um destes componentes é feito de apenas uns poucos nucleotides dentro de um single strand of DNA. Em princípio, estes modular building blocks poderiam ser montados em muitas formas diferentes para realizar tarefas diferentes por exemplo: um DNA robot com várias mãos ( hands ) e braços ( arms ), poderia ser usado para carregar múltiplas moléculas simultaneamente.

7 Os investigadores construíram um nanorobô que pudesse explorar a superfície molecular, apanhar duas moléculas diferentes, uma tinta fluorescente amarela e uma tinta fluorescente rosa, e então os distribuem para duas regiões distintas na superfície. Usaram moléculas fluorescentes que possibilitam os investigadores ver se as moléculas ficam nas localidades desejadas. O nanorobô distribui com sucesso seis moléculas dispersas, três rosas e três amarelas, nos seus lugares corretos em 24 horas. Colocando mais nanorobôs a trabalhar na superfície, encurtou o tempo que levou para completar a tarefa.

8 Conceptual illustration of a DNA robot sorting two types of cargos. by Ella Maru Studio, scientific-illustrations.com

9 Apesar de este nanorobô ter sido demonstrado a trabalhar nesta tarefa específica, o design deste sistema pode ser generalizado para trabalhar com dúzias de outros tipos de carga em qualquer localização arbitrária inicial nesta superfície. Pode-se também ter múltiplos nanorobôs desempenhando diversas tarefas de distribuição em paralelo. Handheld personal spectrophotometer for life science/ biomedical/ chemistry application Tip Biosystems Pte, Ltd

10 Design através do DNA A chave para o design de DNA machines (nanorobôs) é o facto que o DNA tem propriedades químicas e físicas que são únicas e que são também conhecidas e programáveis. Um single strand de DNA é feita de quatro diferentes moléculas chamadas nucleotides, abreviados por A, G, C, e T, e arrumados numa string chamada de sequência. T A C G Estes nucleotides ligam pares específicos: A com T e G com C.

11 Design através do DNA Quando um single strand de DNA encontra um reverse complementary strand, por exemplo, CGATT e AATCG, os dois strands se juntam na forma clássica da double helix. Um single strand de DNA contendo os nucleotides certos pode forçar dois strand parcialmente zipados, separarem-se um do outro. Para qualquer sequência de DNA dada, pode ser estimado quão rápido os eventos de zipar e separar acontece e quanta energia consume. Isso permite investigadores controlarem a velocidade com que o nanorobô se move e quanta energia usa para desempenhar a tarefa.

12 Design através do DNA Além disso o comprimento de um single strand de DNA ou dois strand zipados podem ser calculados. Portanto, o design da perna e do pé de um DNA robot pode ser feito para o tamanho de passo do robô desejado. Neste caso 6 nanómetros, o qual é cerca de um centésimo milionésimo do tamanho de um passo humano. vídeo

13 Surgimento do nanorobô molecular link

14 Design através do DNA Usando estes princípios químicos e físicos, investigadores poder fazer o design não somente de nanorobôs mas também de playgrounds, como por exemplo um painel molecular, para testá-los. Neste trabalho, o DNA robot se move por volta de quadro/painel molecular ( pegboards ) de 58 nm x 58 nm no qual os pegs são feitos de single strands of DNA complementar às pernas ( legs ) e pés ( feet ) dos nanorobôs. O nanorobô se prende a um peg com suas pernas ( legs ) e um de seus pés ( feet ) o outro pé ( foot ) flutua livremente. Quando flutuações moleculares aleatórias causam este pé ( foot ) livre encontrar um peg próximo, ele puxa o nanorobô para o novo peg e seu outro pé ( foot ) é libertado. Este processo continua com o nanorobô movendo-se em uma direção aleatória em cada passo.

15 ADNA robot is programmed to pick up and sort molecules into predefined regions [Scientific Journal Science ] September 14, 2017, California Institute of Technology

16 Pode levar um dia para o nanorobô explorar o quadro todo. Neste caminho, conforme o nanorobô encontra cargas de moléculas presas a pegs, ele as segura com as suas mãos ( hands ) componentes e as leva consigo até detetar o sinal de largar para a mão ( hand ) soltar a carga ( drop-off point ). O processo é lento, entretanto trata-se de um nanorobô com um design muito simples e que utiliza muito pouca energia química.

17 Futuristic Applications DNA robots ainda não são desenvolvidos para aplicações especificas. O foco tem sido descobrir os princípios de engenharia que permitam o desenvolvimento de DNA robots com propósitos mais gerais.

18 Robot made from DNA could tell cancer cells to self-destruct

19 Entretanto, espera-se que investigadores possam usar esses princípios para aplicações interessantes, tal como: usar o DNA robot para a sintetização de uma terapêutica química das suas partes constituintes em uma fabrica molecular artificial, libertando droga somente quando um sinal específico for dado na corrente sanguínea ou nas células, ou separando nos componentes moleculares o lixo para reciclar.

20 DNA robots can deliver molecular packages IEEE These miniature machines could help assemble electronics and medicines

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22 Sources / References: Molecular nanorobots read more at: (video) More information: A.J. Thubagere el al., A cargo-sorting DNA robot Science (2017). science.sciencemag.org/cgi/doi 1126/science.aan6558

23 Departamento de Engenharia Eletromecânica Obrigado! Thank you! Felippe de Souza