Nanorobot kontrollerer enzymer
Det er nu lykkedes forskere på Aarhus Universitet at bygge en nanorobot af DNA-strenge, der kan kontrollere enzymer. Nanorobotten fungerer som et pengeskab hvori et enzym kan gemmes væk og hvor kun et specifikt sæt nøgler kan lukke enzymet ud igen. Aarhus Universitet er desuden blevet hovedsæde for en europæisk PhD-skole, der vil udvikle næste generation af nanorobotter til anvendelse indenfor bl.a. bioteknologi og medicin.
En af de store visioner indenfor nanoteknologien er at skabe nanorobotter, der kan navigere og løse opgaver i den mikroskopiske verden.
Det store spørgsmål har i lang tid været, hvilken metode man skulle bruge til at bygge dem med. Det mest succesfulde byggemateriale har vist sig at være vores arvemateriale, nemlig DNA-strenge. Gennem det seneste årti har DNA nanoteknologien udviklet sig så meget, at man kan bygge endog meget komplekse og funktionelle nanostrukturer, der kan fungere som nanorobotter.
En nanorobot defineres som et nanomekanisk objekt, der både kan detektere, analysere og agere.
Et eksempel på en sådan nanorobot blev allerede i 2009 udviklet af et forskerhold fra Aarhus Universitet, i form af en nano-kasse, der kunne låses og åbnes med DNA nøgler. Denne type nanorobotter er blevet udviklet af flere forskningsgrupper, og der er både eksempler på DNA-nanorobotter, der genkender og dræber kræftceller, og nanorobotter der kan fungere som samlebånd for nanomaterialer og kan sortere elementer på nanoskala.
En ny generation af DNA-kasser
DNA kassen fra 2009 kunne detektere et specifikt sæt af DNA nøgler og kunne dermed åbnes, men der manglede en metode til at putte indhold i kassen. Da kassen kun måler ca. 30-40 nanometer på hver led (et gennemsnitligt menneskehår er ca. 2000 gange tykkere) er den lige præcis er stor nok til, at man kan gemme et enkelt enzym i den, men det viste sig vanskeligt rent faktisk at pakke enzymet.
Men efter mange års arbejde er det altså lykkedes forskerne på Aarhus Universitet at forbedre DNA-nanoteknologien så meget, at de har meldt en ny generation af DNA-kasser klar til brug. Det gjorde de for nylig i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Nature Communications under titlen Control of enzyme reactions by a reconfigurable DNA nanovault, hvor de viste, at de nu kan pakke og kontrollere enzymer. Arbejdet blevet udført af Guido Grossi under hans PhD projekt i lektor Ebbe Sloth Andersens forskningsgruppe på Interdisciplinary Nanoscience Center (iNANO) på Aarhus Universitet.
”Det har været en stor udfordring at få DNA-kasserne til at virke effektivt. Vi har skullet lave et nyt design med tykke vægge. Vi har skullet finde en måde at binde et enzym i kassen vha. kemi. Vi har skullet lave en kasse, der kan åbnes og lukkes gentagne gange. Og vi har skullet finde et enzym-substrat-system, der kan kontrolleres af DNA-boksen,” forklarer Guido Grossi.
”Vi kalder den nye designede struktur for vault, eller på dansk pengeskab eller bankboks, fordi DNA-strukturen har en meget kompleks DNA-lås bestående af syv individuelle låse. Hver DNA-lås kan kun åbnes med én nøglesekvens ud af 1015, altså en billiard, mulige. Så hvis man ikke kender nøglerne til vores DNA-pengeskab, skal man være en sand Egon Olsen for at åbne det,” tilføjer Ebbe Sloth Andersen.
For varmt for enzymer
Det er afgørende, at boksen kan åbnes og lukkes flere gange. For at danne boksene skal DNA-strengene nemlig opvarmes til 95°C, og varmen ville ødelægge de enzymer, der skal gemmes i boksene. Nu kan forskerne producere boksene først, og derefter putte enzymerne ind i dem under enzymvenlige temperaturer.
Men hvorfor skal boksene lige bruges til enzymer?
”Enzymer er et af naturens mest værdifulde påfund. Det er proteinmolekyler, der er udviklet til at katalysere kemiske reaktioner, hvilket er afgørende for livsprocesser, og samtidig nyttigt i vores hverdag, f.eks. i vores vaskemiddel, i levnedsmiddel- og medicinalindustrien,” svarer Ebbe Sloth Andersen.
Rent teknisk taler man om, at enzymer omdanner specifikke molekyler (substrater) til forskellige andre molekyler (produkter).
Ideen med at gemme et enzym i en boks lavet af DNA er, at man dermed kan kontrollere enzymets aktivitet: Ved enten at holde døren låst eller åben kan man styre enzymets adgang til de substrater, de er beregnet til. Boksens syv låse er programmet til først at smække op, når de kommer i kontakt med DNA molekyler med specifikke sekvenser.
Dermed kan man styre, hvor meget substrat der omdannes til produkt. Desuden kan eksponering af et enzym have medicinsk virkning.
”Der findes allerede mange metoder til at kontrollere enzymer, men de er oftest udviklet på grundlag af de helt specifikke egenskaber ved et enzym-substrat-system. En af grundene til at udvikle DNA pengeskabet er, at det kan være generelt anvendeligt til at kontrollere mange forskellige typer af enzymer og deres substrat,” påpeger Ebbe Sloth Andersen.
Ny robotskole skal udvikle plug-and-play-DNA
Man kan sige, at DNA-robotter danner skole på Aarhus Universitet. Professor Kurt Gothelf, som var leder af Danmarks Grundforskningsfond: Center for DNA-Nanoteknologi, hvor de første DNA-kasser i 2009 blev skabt, har fra EU-kommissionen fået bevilget ca. fire mio. euro til at drive en ny Ph.d.-skole under titlen DNA-Robotics.
Skolen samler de førende forskergrupper inden for DNA nanoteknologi i Europa for sammen at udvikle en ny robotplatform, der vil kunne tilbyde mange af de egenskaber, vi kender fra store robotter – bare i nanostørrelse – til fremtidige medicinske og teknologiske opgaver.
En af de mest oplagte egenskaber er brugen af standardmoduler - sådan at forstå, at vore dages industrirobotter typisk er konstrueret af moduler, der overholder internationale industristandarder.
DNA-Robotics’ overordnede mål er at skabe den første standard for modulære robotter ved at etablere en plug-and-play platform for robotmoduler i nanostørrelse. Det betyder, at der skal udvikles forskellige DNA-strukturer, som kan henholdsvis sanse, aktivere, kommunikere og udføre beregninger.
Platformen skal gøre det muligt at specialfremstille nanorobotter, som kan løse avancerede opgaver, i fremtidens forskning og industri.
Link til den videnskabelige artikel i Nature Communications: "Control of enzyme reactions by a reconfigurable DNA nanovault".
Mere information
Lektor Ebbe Sloth Andersen
iNANO/Institut for Molekylærbiologi og Genetik, Aarhus Universitet
esa@inano.au.dk - 4117 8619
Ph.d.-studerende Guido Grossi
ggrossi@inano.au.dk - 8715 6747
Professor Kurt Vesterager Gothelf
iNANO/Institut for Kemi, Aarhus Universitet
kvg@chem.au.dk - 6020 2725