ДНК хранит жизнь. Учёные решили, что этого мало — и превратили её в крошечный механический переключатель для машин будущего

Учёные приблизились к одной из самых старых мечтаний нанотехнологий: создать механические детали размером в десятки нанометров, которые можно включать и выключать так же надёжно, как обычный переключатель. Новая разработка построена из ДНК и умеет быстро переходить между двумя устойчивыми положениями под действием короткого электрического поля.

Идея машин молекулярного масштаба стала особенно популярной после знаменитой лекции физика Ричарда Фейнмана «Внизу много места». С тех пор исследователи пытаются научиться собирать управляемые структуры из отдельных молекул и атомов. Главная трудность связана не с размером как таковым, а с поведением материи на этом уровне. Отдельные молекулы постоянно движутся, сталкиваются с окружающей средой и испытывают влияние тепловых колебаний. Из-за этого наномеханизму трудно удерживать заданное положение и выполнять движение по команде, а не случайно.

Особенно сложной задачей остаются переключатели. В обычной электронике и механике они лежат в основе огромного числа устройств: компонент должен оставаться в одном положении, резко переходить в другое при достаточном воздействии и затем удерживать новое состояние. На молекулярном уровне добиться такой предсказуемости намного труднее. Крошечная структура может самопроизвольно дрожать, терять форму или перескакивать между состояниями из-за теплового шума.

Разработанный переключатель решает эту проблему с помощью принципа snap-through, который давно используют в инженерии. По-русски такой механизм можно описать как защёлкивающийся переход между двумя устойчивыми состояниями. Похожим образом работает обычный выключатель света: пока усилие слишком мало, положение сохраняется, но после достижения порога деталь резко перескакивает в другую конфигурацию и остаётся там.

Чтобы перенести такой принцип на масштаб в несколько десятков нанометров, исследователи собрали конструкцию из ДНК. Для этого использовали метод ДНК-оригами: длинную молекулу ДНК складывают в нужную двумерную или трёхмерную форму с помощью сотен коротких вспомогательных цепочек. Эти короткие фрагменты работают как скобы, которые фиксируют длинную нить в заданной геометрии.

В получившейся конструкции есть две жёсткие «руки», соединённые гибкими молекулярными шарнирами. Такая схема позволяет переключателю занимать одну из двух устойчивых конфигураций и не перескакивать между ними самопроизвольно. На одной из рук сделали удлинённый рычаг. ДНК несёт отрицательный электрический заряд, поэтому короткое электрическое поле толкает этот рычаг достаточно сильно, чтобы вся структура перешла в другое состояние.

Главный результат связан с устойчивостью. Без внешнего воздействия, по оценке исследователей, переключатель может оставаться в покое около шести часов. В отдельном наблюдении 70 таких устройств отслеживали в течение часа, и самопроизвольных переключений не увидели. При подаче электрического импульса переход занимал миллисекунды, а затем устройство снова удерживало новое положение.

Выносливость оказалась не менее важной. Один переключатель выдержал больше 200 тысяч срабатываний за пять с половиной часов. Упрощённая версия пережила миллион циклов за три часа и после этого продолжала работать примерно в 85% случаев. При этом надёжность отдельных экземпляров заметно различалась: одни выходили из строя после нескольких тысяч переключений, другие оставались активными несколько дней.

Причины отказов пока изучают. Исследователи связывают сбои с загрязнениями, износом поверхности и химическими изменениями в жидкости вокруг устройства. Интересная деталь: часть неработающих переключателей позже снова начинала функционировать. Такой эффект может указывать на способность конструкции частично восстанавливаться, хотя механизм ещё требует отдельной проверки.

Авторы также показали, что переключатель может выполнять полезную работу, а не просто двигаться между двумя формами. В одном опыте к подвижной руке прикрепили золотой наностержень. В результате устройство стало микроскопическим оптическим переключателем: изменение положения влияло на то, как частица рассеивает свет. В другом эксперименте переключатель открывал или закрывал молекулярный участок связывания, управляя тем, смогут ли к нему присоединиться цепочки ДНК.

Второй вариант может оказаться особенно важным для химии и биотехнологий. Если нанопереключатель умеет прятать или открывать участок связывания, с его помощью можно управлять реакциями: например, включать и выключать ферменты или задавать последовательность химических этапов на чипе. Авторы рассматривают такие устройства как будущие управляющие элементы для миниатюрных биофабрик, где реакции идут не хаотично, а по заданной программе.

До практических молекулярных машин ещё далеко. Один переключатель хранит только один бит информации, а объединение множества таких элементов в полноценную схему пока остаётся сложной задачей. Нужно научиться надёжно соединять устройства, адресно управлять каждым из них и считывать состояние без разрушения структуры.

Но сама возможность сделать молекулярный переключатель, который быстро срабатывает, долго удерживает положение и переживает сотни тысяч циклов, важна как базовая инженерная ступень. Почти любая сложная машина начинается с простых управляемых деталей. В наномасштабе такая деталь теперь выглядит намного ближе к реальному устройству, чем к красивой идее из лекции о будущем.