オックスフォード大学の「サイエンスロボティクス」、3Dプリンターのガントリー構造がナノスケールDNA分子プリンターの出現に影響を与えた

はじめに: ナノスケールで物質を操作し、パターン化する能力は、先進材料の製造にとって極めて重要ですが、現在の方法では広範囲で複雑な計測機器が必要です。過去 10 年間、DNA はリニアモーターや回転モーターなどの機構を含む複雑な構造物を製造する構成要素として使用されてきました。
オックスフォード大学の研究チームは、完全にDNAから作られたナノスケールの印刷装置について説明する論文をサイエンス・ロボティクス誌に発表した。研究者らはマクロ的なプリンターからヒントを得て、複数の DNA「リニアモーター」を結合し、「プリントヘッド」を「ベースプレート」上で 2 次元的に配置できるナノスケールのデバイスを作成したと理解されています。
△左: フレーム、キャンバス、スリーブの 3 つのコンポーネントで構成されるシミュレートされた DNA デバイスのレンダリング。右: 組み立てられた構造の透過型電子顕微鏡画像。
設計全体の中心的な制限は足場材料であり、研究者らによると、これはバクテリオファージM13一本鎖ゲノム足場であり、ほとんどの折り紙構造を約8,000塩基対に制限し、さらにキャンバス、ガントリーフレーム、可動スリーブなどのより大きな構造を組み立てるものである。「プリントヘッド」は、フレームに取り付けて前後に動かすことができる DNA 触媒スリーブです。この装置は、DNA「アドレスチェーン」によって制御される複数の DNA リニアモーターによって駆動されます。この「アドレスチェーン」により、「リニアモーターを所定の位置に固定」できるため、プリントヘッドは平面アレイ内の適切なピクセルに「インク」を塗布できるようになります。
△2Dポジショニングシステム研究者らは、中央のキャンバスに一連の標的DNAピクセルを追加し、スリーブには書き込みヘッドとして機能するDNA触媒鎖を装飾しました。書き込みヘッドがピクセルの上にあるとき、インクの DNA 鎖は相互作用を通じてピクセルに組み込まれます。書き込みヘッドと位置決めを組み合わせると、外部制御のナノスケールプリンターが形成されます。簡単に言えば、2D プリンターのように平らな面に印刷します。違いは、このプリンターとキャンバスが非常に小さく、デバイスの直径がわずか約 100 ナノメートル (0.0001 ミリメートル) であることです。
△プログラム印刷研究者たちは、この装置が将来、特定の複雑な化学物質をオンデマンドで生産できる機械に変身できると考えています。現在の進歩に基づくと、この概念はまだ多くの制限があり、正確性の問題も疑問視されています。しかし、そのコンセプトと使用メカニズムは斬新であり、構築体積が非常に小さいため、将来的にはより大きなナノスケールの物体の構築に応用できる可能性があります。この理由だけでも、これは将来、科学と産業の多くの分野において非常に重要な発展となるでしょう。
現時点での成功は 2D プリンターの構築のみですが、Antarctic Bear はすでにナノスケールの 3D プリンターを作成する可能性を見出しています。プリントヘッドを軸方向に動かす機能と、材料を堆積させる機能 (インクは DNA) を組み合わせることで、プロジェクトの 3D バージョン (より複雑な化学操作を表面で直接実行したり、ポリマーや生体分子複合体を合成したり) が間もなく実現すると考えています。また、より多くの研究グループがマクロ製造モデルからインスピレーションを得て、よりミクロな世界を探求できるようになることを願っています。

参考文献: Benson, E., Marzo, RC, Bath, J., & Turberfield, AJ (2022). 2次元でプログラム可能な配置とパターン形成が可能なDNA分子プリンター。Science Robotics, 7(65). 参考文献: https://doi.org/10.1126/scirobotics.abn5459

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