Nanoroboter auf DNS-Basis könnten die Medizin revolutionieren
Robotersysteme bestehen im Wesentlichen aus Sensoren und Aktoren, die an eine informationsverarbeitende Einheit angeschlossen sind und von dieser koordiniert werden. Die angefertigten Teile, hauptsächlich aus Metall und Kunststoff, werden in der Regel mechanisch zusammengefügt. Das aufstrebende Gebiet der DNS-basierten Robotik hingegen nutzt die Fähigkeit von Biomolekülen zur Selbstorganisation, um Robotersysteme zu bauen. „Die DNS eignet sich ideal für die Robotik, da sie so programmiert werden kann, dass sie sich auf spezifische und sehr vorhersehbare Weise selbst zusammensetzt“, erklärt Kurt Vesterager Gothelf, Koordinator des EU-unterstützten Projekts DNA-Robotics. Im Rahmen des Projekts, das mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen durchgeführt wurde, ist es gelungen, viele der grundlegenden Funktionen eines Roboters wie Sensorik, Antrieb, Informationsverarbeitung und Bewegung aufzubauen. „Wir sind der Verwirklichung eines funktionalen DNS-Nanoroboters ein gutes Stück nähergekommen“, so Gothelf von der Universität Aarhus, dem Projektträger.
Module zusammenfügen
DNA-Robotics versuchte zunächst, würfelförmige DNS-Module einzusetzen, um ihre einzelnen Roboterteile mit jeweils unterschiedlichen Funktionen einzurichten. Ein im Projekt entwickeltes Computermodell mit der Bezeichnung „Polycubes“ wurde dann genutzt, um schnell zu bewerten, wie gut sich diese Teile zu einem Robotersystem zusammenfügen lassen. „Es wurde deutlich, dass Würfelmodule theoretisch funktionieren könnten, in der Praxis im Labor erwies sich das allerdings als schwierig, daher sind wir zu einem chassisbasierten Modell für den Bau unserer Roboterteile übergegangen“, fügt Gothelf hinzu. Bei dieser alternativen Technik wurden organische Strukturen innerhalb von Membranen, die Vesikel genannt werden, als Gerüste beansprucht, um die herum das Team eine Reihe von Robotermodulen baute. Dazu gehörte ein Kabel im Nanomaßstab in einer Röhre, das Informationen von einem Punkt zum anderen innerhalb einer Nanostruktur übertragen kann. „Es bot sich als Beispiel für die Signalübertragung an, die unerlässlich ist, damit ein Roboter funktioniert, ähnlich wie das Nervensystem eines Menschen Signale an verschiedene Körperteile sendet, damit diese wissen, wie sie auf Veränderungen in der Umgebung reagieren sollen“, bemerkt Gothelf. Während der Chassis-Ansatz für einzelne Module gut funktionierte, konnte das Team die Module nicht in ein funktionierendes Robotersystem integrieren. „Wir wurden von der Schwierigkeit überrascht, eine gemeinsame Plattform für die Integration zu finden. Ursprünglich haben wir uns von den modularen Robotern im Makromaßstab inspirieren lassen, aber zuletzt haben wir analysiert, wie die Natur die Integration durch Kompartimentierung erreicht, zum Beispiel in Zellstrukturen“, erklärt Gothelf. Das Team hat zudem einen Linearantrieb gebaut, dessen Bewegung auf eine Achse beschränkt ist. Auf dem Weg zur Entwicklung eines molekularen Druckers, der als Katalysator für die chemischen Reaktionen fungieren kann, die zur Bildung der DNS-basierten Robotermodule erforderlich sind, handelt es sich um den ersten Schritt. Der Druckkopf muss sich erst entlang einer Dimension und dann entlang einer anderen bewegen, um diesen Molekulardruck zu steuern.
Fortschrittliches Verhalten im Nanomaßstab
Die Fähigkeit, fortschrittliches Roboterverhalten im Nanomaßstab zu erzeugen, hat erhebliche Auswirkungen auf viele Sektoren, insbesondere auf die Medizin bei der Entwicklung maßgeschneiderter intelligenter Arzneimittel, die als Reaktion auf bestimmte Körpersignale für eine Behandlung sorgen. So hat der Projektpartner Technische Universität München eine Struktur entworfen, die bestimmte Viren erkennen und dann einkapseln kann, um sie zu deaktivieren. Weitere Partner arbeiten an DNS-Robotern, die eine Kaskade intrazellulärer Signale auslösen, die den Tod von Krebszellen herbeiführen. „Es ist wichtig, dass wir künftige Forschende in diesem Bereich ausbilden, um Europas Wettbewerbsvorteil zu bewahren. Wir sind stolz darauf, 14 hochqualifizierte Nachwuchsforschende beizusteuern, die bereit sind, das Fachgebiet voranzubringen“, so Gothelf abschließend. Das Projektteam arbeitet nun daran, die herausfordernde Integration zu meistern und zu gewährleisten, dass ihre Roboterstrukturen im menschlichen Körper sicher sind und gleichzeitig die Produktionskosten gesenkt werden.
Schlüsselbegriffe
DNA-Robotics, DNS, Roboter, intelligenter Wirkstoff, intelligente Arzneimittel, Biomolekül, Molekulardrucker, Nanomaßstab, Vesikel, Membran, Signale, Information
