Ο Mark Rober, γνωστός Youtuber και πρώην μηχανικός της NASA έχει αναλάβει πολλές περίεργες προκλήσεις μηχανικής. Η πιο πρόσφατη ήταν η δημιουργία του μικρότερου εκτοξευτή Nerf στον κόσμο, αλλά ήθελε να γίνει τόσο μικρός που συνάντησε ένα σημαντικό εμπόδιο: τη φυσική.
Στην κλίμακα που οραματίστηκε ο Rober, δυνάμεις όπως η τριβή πολλαπλασιάζονται εκθετικά. Αν προσπαθούσε να συρρικνώσει τον τυπικό μηχανισμό ελατηρίου και εμβόλου του Nerf, ο εκτοξευτής θα καταστρεφόταν. Έτσι, ο Rober συνεργάστηκε με μηχανικούς στο Πανεπιστήμιο Brigham Young και μαζί, σχεδίασαν ένα μοναδικό σύστημα πυροδότησης χρησιμοποιώντας συμβατούς μηχανισμούς.
Αυτή η τεχνική μηχανικής επέτρεψε στην ομάδα να κατασκευάσει τον εκτοξευτή ως ένα κομμάτι με στόχο να μειώσει την τριβή, ενώ εξακολουθούσε να αποθηκεύει ενέργεια μέσω των εύκαμπτων τμημάτων του. Χάραξαν το νέο τους σχέδιο και στη συνέχεια το γέμισαν με νανοσωλήνες άνθρακα. Το αποτέλεσμα ήταν ένας εκτοξευτής Nerf 100 φορές μικρότερος από την τυπική έκδοση.
Ο εκτοξευτής είναι τόσο μικρός που απαιτεί μια ειδική συσκευή που ονομάζεται μικρο-χειριστής για να πυροδοτήσει. Ο Rober το ονόμασε Nerf μυρμηγκιών.
Αποστολή εξετελέσθη. Μόνο που ο Rober δεν είχε τελειώσει ακόμα. Από περιέργεια αναρωτήθηκε αν ήταν δυνατόν να φτιάξει έναν ακόμη μικρότερο εκτοξευτή. Ένα, ας πούμε, τρία εκατομμύρια φορές μικρότερο; Για να απαντήσει σε αυτό, ρώτησε τον Pallav Kosuri, επίκουρο καθηγητή στο Εργαστήριο Ολοκληρωμένης Βιολογίας στο Ινστιτούτο Salk, αν ήταν δυνατόν.
Η απάντηση του Κοσούρι: Σίγουρα! Απλά πρέπει να το κάνετε από το DNA.
Από τον Escher στο DNA origami
Η τεχνική που είχε κατά νου ο Kosuri είναι γνωστή ως «DNA origami» και, όπως και το ομώνυμο με βάση το χαρτί, είναι τόσο απλή όσο και ενδιαφέρουσα. Η ιδέα να δημιουργηθούν μικροσκοπικές δομές με διπλωμένο DNA συνελήφθη από τον Nadrian Seeman, έναν κρυσταλλογράφο, εξήγησε ο Kosuri σε συνέντευξή του στο Freethink.
Ο Seeman ήθελε να επινοήσει έναν καλύτερο τρόπο για να φτιάξει κρυστάλλους υψηλής ποιότητας. Βλέπετε, η διαδικασία δημιουργίας κρυστάλλων είναι τρομερά δύσκολη. Ένας ερευνητής μπορεί να ρυθμίσει τις συνθήκες, να εκτελέσει τη διαδικασία και να προσευχηθεί. Εάν σχηματίζονται κρύσταλλοι υψηλής ποιότητας, υπέροχα. Εάν όχι, δεν υπάρχει πραγματικός τρόπος να προσδιοριστεί τι πήγε στραβά.
Η έμπνευση ήρθε τον Seeman όταν κατασκόπευσε μια αναπαράσταση της ξυλογραφίας του M.C. Escher Depth σε τοπική παμπ. Κοιτάζοντας τον ατελείωτο στόλο των ψαριών σε σχήμα αστεριού του Escher, συνειδητοποίησε ότι αυτό που χρειαζόταν ήταν ένας αξιόπιστος τρόπος για να βάλει τα άτομα σε τάξη, επαναλαμβανόμενα μοτίβα σε νανοκλίμακα. Αν μπορούσε να το κάνει αυτό, τα άτομα θα τακτοποιούνταν σε κρυσταλλικά πλέγματα.
Η φύση παρείχε ήδη μια νανο-μεγέθους δομή που επαναλαμβάνεται με έναν αξιόπιστο, διατεταγμένο τρόπο: DNA. Ο Seeman φαντάστηκε ότι θα ήταν δυνατό να χρησιμοποιηθεί το DNA ως πλαίσιο και έγραψε την υπόθεσή του για το Journal of Theoretical Biology το 1982.
«Και κανείς δεν το διαβάζει», είπε ο Kosuri γελώντας. «Γιατί τι είναι η θεωρητική βιολογία; Ειδικά, τι ήταν η θεωρητική βιολογία στη δεκαετία του ογδόντα;».
Με τον καιρό, ωστόσο, άλλοι θα αντιλαμβάνονταν το όραμα του Seeman. Σήμερα, οι επιστήμονες έχουν τα υπολογιστικά εργαλεία για να καταφέρουν κάτι τέτοιο με το DNA origami α- κάποτε ήταν κάτι θεωρητικό σήμερα μπορεί να εφαρμοστεί σε πραγματικές νανοδομές.
Στα 40 χρόνια που μεσολάβησαν, οι επιστήμονες έχουν δημιουργήσει δομές από περισσότερους από δύο κλώνους DNA. Έχουν κατασκευάσει 3D αντικείμενα όπως αγγεία και έργα γεωμετρικής τέχνης. Το 2006, ο Paul Rothemond συνέδεσε κατά παραγγελία κοντά σκέλη με ένα μακρύ σκέλος για να κάνει ένα χαμογελαστό πρόσωπο. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν DNA origami για να παγιδεύσουν ιούς, να χτίσουν δομές μήκους 1.000 νανομέτρων και να αναβαθμίσουν το emoji του Rothemond σε μια ολοκληρωμένη Mona Lisa.
Είναι NanoNerf ή τίποτα!
Για το έργο πυροβόλων όπλων Nerf, ο Kosuri και η ομάδα του ξεκίνησαν με μεγάλες «σκαλωσιές» κλώνων DNA. Αυτά προστέθηκαν σε ένα διάλυμα με μικρότερους κλώνους DNA που ονομάζονται «συρραπτικοί κλώνοι». Όταν το διάλυμα θερμάνθηκε, οι συρραπτικοί κλώνοι δεσμεύτηκαν σε ένα σκέλος ικριώματος σε συγκεκριμένα σημεία για να διπλώσουν και να λυγίσουν σε σχήμα.
Αυτή η αυτοσυναρμολόγηση - ένα σημαντικό πλεονέκτημα κατά την κατασκευή με DNA - είναι το αποτέλεσμα του τρόπου με τον οποίο το μόριο σχηματίζεται φυσικά. Τα ζεύγη βάσεων του DNA δεσμεύονται πάντα προβλέψιμα: αδενίνη με θυμίνη και κυτοσίνη με γουανίνη. Εξαιτίας αυτού, η ομάδα μπορούσε να χαρτογραφήσει ακριβώς πού χρειαζόταν το σκέλος ικριώματος για να διπλώσει για να παράγει το σχέδιο που επιθυμούσε. Στη συνέχεια βεβαιώθηκαν ότι τα βασικά σκέλη είχαν αντίστοιχες αλληλουχίες ζευγών βάσεων, ώστε να συνδεθούν σε αυτές τις στρατηγικές τοποθεσίες.
Κάθε εκτοξευτής «NanoNerf» που προέκυψε είχε μήκος περίπου 100 νανόμετρα, πράγμα που σημαίνει ότι περίπου 50 εκατομμύρια από αυτά θα μπορούσαν να χωρέσουν μέσα σε έναν μόνο πυρήνα κυττάρου.
Το DNA origami είναι ακόμα στα σπάργανα, αλλά η τρέχουσα έρευνα υπαινίσσεται μερικές εντυπωσιακές εφαρμογές στο μέλλον. Όπως είδαμε με την αρχική ιδέα του Seeman, θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως σκαλωσιά για την κατασκευή πραγμάτων όπως ένζυμα.
Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την εισαγωγή στοιχείων βιοανίχνευσης σε πολύπλοκα συστήματα, έτσι ώστε να μπορούν να παρακολουθούνται με λιγότερο παρεμβατικούς αισθητήρες. Θα μπορούσε ακόμη και να χρησιμοποιηθεί για την παροχή προσαρμόσιμων φαρμάκων και εμβολίων χωρίς την ανάγκη επώδυνης βολής.
«Ο λόγος που φτιάχνουμε πράγματα όπως σύριγγες χειρός είναι επειδή έχουμε χέρια. Είναι το μέγεθός μας», δήλωσε ο Kosuri. «Αλλά στη σημερινή εποχή, δεν υπάρχει κανένας λόγος για τον οποίο πρέπει να κάνουμε τα πράγματα σε ανθρώπινο μέγεθος πια. Πολλά πράγματα γύρω μας, θα μπορούσαν να είναι μικρότερα και θα ήταν πιο αποτελεσματικά, λιγότερο παρεμβατικά, θα είχαν λιγότερες παρενέργειες και θα ρύπαναν λιγότερο».
Ο Kosuri συγκρίνει το DNA origami με το πώς εξελίχθηκε η τεχνολογία τρανζίστορ. Στην αρχή, μόνο μια χούφτα φυσικοί και ηλεκτρολόγοι μηχανικοί έπαιξαν μαζί τους. Αλλά τότε οι άνθρωποι άρχισαν να συνδέουν τα τρανζίστορ μεταξύ τους και διαπίστωσαν ότι μπορούσαν να λύσουν λογικά προβλήματα.
Σύντομα άνθρωποι από άλλους τομείς άρχισαν να βλέπουν τι θα μπορούσαν να κάνουν με τα τρανζίστορ. Τώρα αυτά τρέχουν φορητούς υπολογιστές, smartphones και, ίσως μια μέρα, αυτο-οδηγούμενα αυτοκίνητα.