Molekulare Robotik: Diese mikroskopisch kleinen Roboter können fast alles

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  Quantumrun-Vorausschau
• 30. November 2023

Zusammenfassung der Einblicke

Molekulare Robotik, ein interdisziplinäres Projekt an der Schnittstelle von Robotik, Molekularbiologie und Nanotechnologie, das vom Wyss Institute der Harvard-Universität geleitet wird, treibt die Programmierung von DNA-Strängen in Robotern voran, die in der Lage sind, komplizierte Aufgaben auf molekularer Ebene auszuführen. Durch die Nutzung der CRISPR-Genbearbeitung könnten diese Roboter die Arzneimittelentwicklung und -diagnostik revolutionieren, wobei Unternehmen wie Ultivue und NuProbe kommerzielle Vorstöße anführen würden. Während Forscher Schwärme von DNA-Robotern für komplexe Aufgaben, ähnlich wie Insektenkolonien, erforschen, sind reale Anwendungen noch in Sicht, die eine beispiellose Präzision bei der Medikamentenverabreichung, einen Segen für die Nanotechnologieforschung und das Potenzial für die Konstruktion molekularer Materialien in verschiedenen Branchen versprechen .

Kontext der molekularen Robotik

Forscher am Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering der Harvard University waren neugierig auf die anderen möglichen Anwendungsfälle von DNA, die sich in verschiedenen Formen, Größen und Funktionen zusammensetzen kann. Sie versuchten es mit Robotik. Diese Entdeckung wurde möglich, weil DNA und Roboter eines gemeinsam haben: die Fähigkeit, für ein bestimmtes Ziel programmiert zu werden. Im Fall der Roboter können sie durch binären Computercode und im Fall der DNA durch Nukleotidsequenzen manipuliert werden. Im Jahr 2016 rief das Institut die Molecular Robotics Initiative ins Leben, die Experten aus den Bereichen Robotik, Molekularbiologie und Nanotechnologie zusammenbrachte. Wissenschaftler waren begeistert von der relativen Unabhängigkeit und Flexibilität von Molekülen, die sich selbst zusammensetzen und in Echtzeit auf die Umgebung reagieren können. Diese Funktion bedeutet, dass diese programmierbaren Moleküle zur Herstellung nanoskaliger Geräte verwendet werden können, die in verschiedenen Branchen Anwendung finden können.

Die molekulare Robotik wird durch die neuesten Durchbrüche in der Genforschung ermöglicht, insbesondere durch das Gen-Editing-Tool CRISPR (Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats). Dieses Tool kann DNA-Stränge nach Bedarf lesen, bearbeiten und schneiden. Mit dieser Technologie können DNA-Moleküle in noch präzisere Formen und Eigenschaften manipuliert werden, einschließlich biologischer Schaltkreise, die jede potenzielle Krankheit in einer Zelle erkennen und diese automatisch abtöten oder verhindern können, dass sie zu Krebs wird. Diese Möglichkeit bedeutet, dass molekulare Roboter die Arzneimittelentwicklung, Diagnose und Therapie revolutionieren können. Das Wyss Institute macht mit diesem Projekt unglaubliche Fortschritte und hat bereits zwei kommerzielle Unternehmen gegründet: Ultivue für hochpräzise Gewebebildgebung und NuProbe für die Nukleinsäurediagnostik.

Störende Wirkung

Einer der größten Vorteile der molekularen Robotik besteht darin, dass diese winzigen Geräte miteinander interagieren können, um komplexere Ziele zu erreichen. In Anlehnung an Insektenkolonien wie Ameisen und Bienen arbeiten Forscher an der Entwicklung von Roboterschwärmen, die komplexe Formen formen und Aufgaben erledigen können, indem sie über Infrarotlicht miteinander kommunizieren. Diese Art von Nanotechnologie-Hybrid, bei dem die Grenzen der DNA durch die Rechenleistung von Robotern erweitert werden können, könnte mehrere Anwendungen haben, darunter eine effizientere Datenspeicherung, die zu geringeren Kohlenstoffemissionen führen kann.

Im Juli 2022 entwickelten Studenten der Emory University in Georgia molekulare Roboter mit DNA-basierten Motoren, die sich absichtlich in eine bestimmte Richtung bewegen können. Die Motoren konnten chemische Veränderungen in ihrer Umgebung erkennen und wissen, wann sie ihre Bewegung stoppen oder die Richtung neu kalibrieren müssen. Die Forscher sagten, diese Entdeckung sei ein großer Schritt in Richtung medizinischer Tests und Diagnostik, da molekulare Schwarmroboter jetzt von Motor zu Motor kommunizieren können. Diese Entwicklung bedeutet auch, dass diese Schwärme helfen können, chronische Krankheiten wie Diabetes oder Bluthochdruck zu bekämpfen. Obwohl die Forschung auf diesem Gebiet einige Fortschritte gebracht hat, sind sich die meisten Wissenschaftler einig, dass groß angelegte, reale Anwendungen dieser winzigen Roboter noch Jahre entfernt sind.

Implikationen der molekularen Robotik

Weitere Auswirkungen der molekularen Robotik könnten sein: 

• Genauere Forschung an menschlichen Zellen, einschließlich der Möglichkeit, Medikamente an bestimmte Zellen abzugeben.
• Erhöhte Investitionen in die Nanotechnologieforschung, insbesondere von Gesundheitsdienstleistern und großen Pharmaunternehmen.
• Der Industriesektor ist in der Lage, mithilfe eines Schwarms molekularer Roboter komplexe Maschinenteile und Zubehör zu bauen.
• Zunehmende Entdeckung molekularbasierter Materialien, die auf alles angewendet werden können, von Kleidung bis hin zu Konstruktionsteilen.
• Nanoroboter, die so programmiert werden können, dass sie ihre Bestandteile und ihren Säuregehalt ändern, je nachdem, ob sie in Organismen oder außerhalb arbeiten müssen, was sie zu äußerst kostengünstigen und flexiblen Arbeitskräften macht.

Fragen zum Kommentieren

• Welche weiteren potenziellen Vorteile haben molekulare Roboter in der Industrie?
• Welche weiteren potenziellen Vorteile haben molekulare Roboter in der Biologie und im Gesundheitswesen?