No clássico da ficção científica americana de 1966 Viagem Fantástica, uma tripulação de submarino é miniaturizada e injetada dentro de um corpo para consertar um coágulo de sangue no cérebro. Obviamente, não é assim que a ciência médica do futuro vai funcionar, mas a noção de criar máquinas microscópicas para realizar tarefas complexas está certamente correta. Um avanço recente, no qual robôs feitos de DNA foram programados para organizar e levar moléculas a um local específico, agora representa um passo importante nessa direção futurista.

• Cientistas criam “nanopeixe” para levar medicação diretamente pela corrente sanguínea
• Discos rígidos atômicos podem armazenar grandes quantidades de dados em pouco espaço físico

Ainda estamos no início da nanotecnologia, mas uma nova pesquisa do Instituto de Tecnologia da Califórnia está exibindo o tremendo potencial dessa tecnologia minúscula. Uma equipe de pesquisas da CalTech liderada por Anupama Thubagere e Lulu Qian construiu robôs a partir de DNA, programando-os para levar moléculas individuais a lugares designados. Um dia, essa tecnologia poderia ser usada para transportar moléculas de vários tipos por todo o corpo — o que poderia potencialmente transformar tudo, do sistema de entrega de medicamentos dentro do corpo até como o corpo combate infecções, passando também pelo método como medições microscópicas são feitas.

Existem atualmente três campos emergentes dentro da nanociência de DNA, a ciência de criar dispositivos do tamanho de moléculas a partir do DNA: a auto-montagem das nanoestruturas de cadeias de DNA; computação molecular e armazenamento de dados; e robótica DNA, que é o foco do estudo publicado nesta quinta-feira (14), na Science. A premissa central da nanociência de DNA é que, em vez de criar dispositivos ou sistemas moleculares do zero, podemos tirar vantagem da força da natureza, que já descobriu grande parte disso. Se e quando nós finalmente dominarmos as máquinas moleculares, conseguiremos construir robôs microscópicos com funções programáveis e enviá-los a lugares que são, de outra maneira, impossíveis de se alcançar, como uma célula ou um tumor cancerígeno difícil de se alcançar.

Em experimentos anteriores, robôs de DNA demonstraram sua capacidade de realizar tarefas simples, mas esse esforço mais recente aumentou o nível de complexidade consideravelmente, ao mesmo tempo em que abria um caminho em direção ao desenvolvimento de robôs de DNA de propósito geral.

“É a primeira vez que robôs de DNA foram programados para realizar uma tarefa de classificação de carga, mas, mais importante que a tarefa em si, nós mostramos como essa tarefa aparentemente complexa (e potencialmente muitas outras tarefas) que os robôs de DNA podem ser programados para fazer usa bases muito simples e modulares”, explicou Qian em email ao Gizmodo. “Esse é também o primeiro exemplo mostrando vários robôs de DNA realizando coletivamente a mesma tarefa.”

Para o estudo, os pesquisadores criaram um grupo de robôs de DNA que pudessem coletivamente realizar uma tarefa predeterminada que os fizesse caminhar por uma plataforma de testes, localizar uma carga molecular e levá-la a um local específico. Os robôs conseguiram fazer isso de forma autônoma.

Ilustração conceitual do sistema de entrega de carga molecular. (Imagem: Ella Maru Studio)

Cada robô, construído de uma molécula de DNA de cadeia simples de apenas 53 nucleotídeos, foi equipado com “pernas” para caminhar e “braços” para pegar objetos. Os robôs tinham 20 nanômetros de altura, e seus passos mediam seis nanômetros, com um nanômetro sendo um bilionésimo de metro. Para efeito de comparação, um cabelo humano tem cerca de 50 mil a 100 mil nanômetros de diâmetro, então a escala de que estamos falando aqui é ridiculamente pequena.

Para a carga, os pesquisadores usaram dois tipos de moléculas, cada uma um pedaço distinto de DNA de cadeia simples. Em testes, os pesquisadores colocaram a carga em um local aleatório na superfície de uma plataforma de teste de DNA origami bidimensional (auto-dobrável). Os robôs de DNA se moveram paralelamente ao longo da superfície, procurando pela carga.

Para saber se um robô conseguiu, com sucesso, pegar e largar a carga certa no local certo, os pesquisadores usaram dois corantes fluorescentes para distinguir as moléculas. Os cientistas ainda não chegaram ao estágio em que conseguem programar robôs desse tamanho para ter memória embutida, então, em vez disso, os robôs foram projetados para “combinar” com sua carga.

“Projetamos locais de entrega específicos para cada tipo de carga: se o tipo combinasse, o local de entrega iria sinalizar para que o robô soltasse a carga; caso contrário, o robô continuaria andando em busca de outro local de entrega”, explicou Qian. “Você pode pensar que o robô não é esperto. Mas eis um princípio essencial na construção de máquinas moleculares: tornar as moléculas individuais o mais simples possível, para que elas possam funcionar de maneira confiável em um ambiente bioquímico complexo, mas se aproveitar do que uma coleção de moléculas pode fazer, quando as inteligentes são distribuídas em diferentes moléculas.”

Os pesquisadores estimam que cada robô de DNA tenha levado cerca de 300 passos para completar sua tarefa, ou aproximadamente dez vezes mais do que em tentativas anteriores.

“Programamos com sucesso um comportamento complexo em robôs de DNA e compartimentamos cada tarefa usando DNA origami”, disse Thubagere.

Nos experimentos, 80% das moléculas de carga foram organizadas, então dá para melhorar. Qian e Thubagere levantaram a hipótese de que nem todas as moléculas foram sintetizadas corretamente, ou que algumas partes do robô ou da plataforma de testes tiveram defeitos. Vai ser preciso muito mais trabalho para descobrir tudo isso, e precisamos testar os robôs de DNA sob diferentes condições ambientais se algum dia quisermos ter essas coisas trabalhando dentro de nossos corpos. Esse novo estudo oferece uma metodologia viável para que outros cientistas sigam trabalhando.

“A maior implicação que espero que o trabalho tenha é inspirar mais pesquisadores a desenvolver robôs de DNA modulares, coletivos e adaptáveis, para uma gama de tarefas diversa, para entender de verdade os princípios de engenharia para a construção de máquinas moleculares artificiais, tornando-as tão facilmente programáveis quanto robôs macroscópicos”, disse Qian.

[Science]

Imagem do topo: Demin Liu