طوّر فريق من الباحثين من جامعتي هوكايدو Hokkaido University وكانساي Kansai University روبوتات جزيئية بمساعدة DNA، تندفع بشكل مستقل استجابة لإشاراتٍ فيزيائية وكيميائية، في سبيل تمهيد الطريق أمام تطوير آلاتٍ مستقبلية نانوية.
يبلغ قطر أصغر سرب من الروبوتات في العالم 25 نانومتراً و5 ميكرومتر طولاً، مظهراً سلوكاً سربيّاً شبيهاً بسلوك الكائنات الحية المتنقلة كالأسماك والنمل والطيور.
قال أكيرا كاكوغو Akira Kakugo من فريق البحث لدى جامعة هوكايدو: "سرب الروبوتات هو أحد أكثر المواضيع صعبة المنال في مجال الروبوتيك"، وعلق على السلوك السربي: "تظهر تجمعات الأسماك ومستعمرات النمل وأسراب الطيور ميزاتٍ مدهشة لا يمكن لأي فرد تحقيقها لوحده. يتضمن ذلك تشكيل بنى معقدة متباينة في العمل والمتانة والمرونة، تنبثق هذه البنى من التفاعلات بين الأفراد دون الحاجة لوجود قائد لها". وقد عمل الباحثون على تطوير سرب من الروبوتات دقيقة الحجم المستوحاة من هذه الخصائص.
في هذه الدراسة بنى كاكوغو ومعاونيه نظام جزيئاتٍ مركبٍ من المكونات الثلاثة الأساسية لأي روبوت، وهي الحساسات ومعالجات المعلومات والمحركات. استخدموا بروتيناتٍ خُلويّةٍ تدعى الميكروتثبولات Microtubules والكينيسين kinesin كمحرك، والـ DNA كمعالجٍ للمعلومات. الميكروتثبولات هي بروتينات خيطيّة تعمل كطرق النقل في نظام النقل الخلوي، بينما الكينيسين هي بروتينات حركيّة تسير على الناقل من خلال استهلاك الطاقة الكيميائية الناتجة عن التحلل المائي لأدينوسين ثلاثي الفوسفات ATP. اتخذ الفريق استراتيجيةً عكسيةً وبنوا نظاماً تنتقل فيه الميكروتثبولات بشكل عشوائيٍّ على سطحٍ مغطّى بالكينيسين.
يكمن التحدي الرئيسي في هذه الدراسة ببناء عددٍ كبيرٍ من الروبوتات المنفردة القادرة على التجمع الذاتي المبرمج. استطاع الفريق التغلب على هذه المشكلة من خلال إضافة جزيئات DNA إلى النظام، والتي تقوم بدورها بعملية التهجين عندما تحصل على سلسلة متكاملة. حيث تُرفق جزيئات الـ DNA المعدلة كيميائياً من خلال برامج محددة في سلاسلها مع الميكروتثبولات الملونة بصبغة ضوئية خضراء أو حمراء.
راقب الفريق بعد ذلك حركات الميكروتثبولات المرفقة بالـ DNA التي تنزلق على سطحٍ مغطى بالكينيسين. حيث انتقلت خمسة ملايين من الميكروتثبولات في البداية دون أي تفاعل مع بعضها. ثم أضافوا خيطاً وحيداً من الـ DNA الرابط (l-DNA) المبرمج على إحداث تفاعلات ضمن الميكروتثبولات المرفقة بجزيئات الـ DNA. بدأت الميكروتثبولات بعد إضافة الرابط بالتجمع وتشكيل أسرابٍ بحجمٍ أكبر بكثير من الميكروتثبولات. وعند إضافة حبلٍ آخر من الـ DNA من نوع (d-DNA) مبرمجٍ على فكِّ هذه الأسراب، اختفت أسراب الميكروتثبولات بوقتٍ وجيز. وذلك يبرهن بوضوحٍ أنه من الممكن تنظيمُ تشكيل سربٍ من عدد كبير من الميكروتثبولات بشكلٍ انتقائيّ عن طريق تزويد إشارات الـ DNA المدخلة الى النظام.
أضاف الفريق حساساً مستشعراً للضوء وهو الأزوبنزين azobenzene إلى النظام مرفقاً مع جزيئات الـ DNA التي استغلت مصاوغة Isomerization الأزوبنزين (عملية تتم على المركبات الكيميائية وتؤدي إلى تغيير خصائصها) الذي يَحدُث عكسياً استجابةً للإشعاع المرئي أو الأشعة فوق البنفسجية للتحكم بالتفاعلات بين جزيئات الـ DNA. هذه الاضافة تفعّل الاشعاع الضوئي المتحرّض للتبديل بين حالتي التجمّع والتفرّق لجزيئات الميكروتثبولات. أثبت الفريق أيضاً أن أسراب الميكروتثبولات تنتقل مع حركة انسحابية أو دائرية معتمدة على صلابة الجزيئات.
علق كاكوغو في النهاية: "إنه الإثبات الأول الذي يظهر أن السلوك السِربيّ للروبوتات الجزيئيّة يمكن برمجته عن طريق حوسبة الـ DNA. يتصرف النظام كحاسبٍ اساسي يقوم بتنفيذ عملياتٍ رياضية بسيطة من مثل معاملات الـ AND أو OR، ما يقود إلى تشكيل بنى مختلفة وحركات معقدة. من المتوقع أن مثل هذا النظام سيساهم في تطوير عضلات صناعية والتشخيص الجيني، إضافة إلى بناء آلات نانويّةٍ في المستقبل".
