Japan entwickelt Mikroroboter: DNA steuert Bewegung wie Zellen

Lebewesen sind die inspirierendsten Wesen, aber auch diejenigen, die in der Robotik am schwierigsten nachzubilden sind. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es Forschern in Japan gelungen, ein winziges Robotersystem zu entwickeln, das sich wie eine lebende Zelle bewegen kann. Die Wissenschaftler veröffentlichten ihre Ergebnisse letzte Woche in der Zeitschrift Science Robotics.

Das System, ein sogenannter molekularer Roboter, ähnelt in Größe und Form einer Amöbe. Die Struktur ähnelt einem mit Flüssigkeit gefüllten Sack und enthält etwa 27 biologische und chemische Komponenten, sagte Ichiro Nomura, ein Bioingenieur an der Tohoku-Universität in Sendai, Japan, der einer der Forscher hinter dem Roboter ist.

Die molekularen Komponenten wirken zusammen, um die Form des Beutels durch eine Dehnungswirkung zu verändern, die den Beutel dazu bringt, sich wie eine Zelle in einer flüssigen Umgebung zu bewegen. Der Start und Stopp der Vesikelbewegung werden durch lichtempfindliche DNA-Signale gesteuert.

Außer dieser eigenartigen Bewegungsweise kann der Amöbenroboter nicht viel tun. Aber das sei das Schöne an der Erfindung, sagte Nomura. Der Roboter kann den Forschern als Vehikel für alles dienen, was ihnen einfällt: Mikrocomputer, Sensoren und sogar Medikamente. Ausgestattet mit diesen Werkzeugen kann das Amöben-Robotersystem zur Erforschung biomolekularer Umgebungen eingesetzt werden. Es kann nach Giftstoffen suchen, die Oberflächen anderer Zellen untersuchen oder Substanzen in einer Kulturschale analysieren.

Nomura und seine Kollegen haben eine Möglichkeit gefunden, die Werkzeuge zu verpacken und zu versenden, sodass andere Wissenschaftler „glücklich die Kontrolle über den Roboter übernehmen“ und die benötigten Komponenten zusammenbauen können. Er hofft, dass die Plattform zum Bau immer komplexerer molekularer Roboter mit steuerbarer Beweglichkeit genutzt wird.

Letztendlich würde Nomura die Roboter gerne in Zellen funktionieren sehen. „Das ist Spitzentechnologie“, sagte Nomura. Der Amöbenroboter kann in das Innere von Zellen und deren Kernen eindringen und dort Probleme diagnostizieren und suchen. „Es ist ein bisschen verträumt“, sagt Nomura, aber es ist erwähnenswert, dass die Größe seiner Roboter auf weniger als einen Mikrometer reduziert werden kann – klein genug, um in eine Zelle zu passen.

Forscher haben eine Reihe von Proof-of-Concept-Robotern im Mikro- und Nanomaßstab entwickelt, die sich im Körper bewegen und kommunizieren können. Viele dieser winzigen Roboter bestehen aus biologisch abbaubaren Materialien und werden durch magnetische, chemische oder Ultraschallkräfte angetrieben.

Der molekulare Roboter von Nomura unterscheidet sich dadurch, dass er vollständig aus biologischen und chemischen Komponenten besteht, sich wie eine Zelle bewegt und durch DNA gesteuert wird. Keiner der anderen entwickelten molekularen Roboter verfügt über diese Art manipulierbarer Dynamik, sagte Nomura.

Nomura sagte, es habe etwa anderthalb Jahre gedauert, den molekularen Roboter aus 27 verschiedenen chemischen Zutaten zu erschaffen. Die lipidstrukturierte Membran dient als dehnbarer Roboterkörper. Im Inneren des Roboters treffen spezielle Proteine ​​auf die Membran und bewirken so eine Formveränderung, ähnlich wie wenn jemand von innen nach außen auf eine Tüte schlägt.

Solche hämmernden Bewegungen treten nur auf, wenn Schlüsselproteine ​​namens Kinesine und Mikrotubuli über Ankereinheiten an der Membran befestigt sind. Die Verbindung wird durch lichtempfindliche DNA hergestellt. Wenn ultraviolettes Licht auf den Roboter fällt, zerbricht die lichtempfindliche DNA im Inneren in Einzelstränge. Es kann sich dann an der Ankereinheit und der Kinesin-Mikrotubuli-Struktur festsetzen und so eine Brücke zwischen ihnen bilden.

Tubuline sind starre, lange Strukturen, die mit Hilfe von Adenosintriphosphat (ATP), einem Energietransportmolekül innerhalb der Zelle, an Kinesinproteinen entlanggleiten. Beim Gleiten können sie auf die Außenmembran des Roboters treffen und so eine Formveränderung bewirken.

Durch die Verwendung dieser Molekülkombination gelang es Nomura und seinen Kollegen, die Bewegung von Zellen nachzuahmen. Aber können wir diese Technologie wirklich als Roboter bezeichnen, wenn sie vollständig aus biologischen Komponenten besteht und chemisch durch ATP angetrieben wird? „Die Definition von Roboter ist sehr weit gefasst“, sagte Nomura. Wenn etwas einen physischen Körper hat, Informationen erfassen und verarbeiten und eine Funktion ausführen kann, ist es ein Roboter, sagte er.

Ob es nun ein Roboter oder ein zellulärer Roboter ist, wir sind gespannt, welche Funktionen die Ingenieure darin unterbringen werden.

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