Nuwe gereedskap ontwerp komplekse DNA-robotte en nanotoestelle

Een van die mees belowende areas van die robotika-veld behels klein DNS-gebaseerde robotte en nanotoestelle, wat wetenskaplikes glo uiteindelik in staat sal wees om doelgerigte medisyne in die menslike liggaam te lewer. Hulle kan ook gebruik word om patogene op te spoor en lei tot die ontwikkeling van kleiner elektronika.

'n Onlangse vooruitgang op hierdie gebied het gekom toe navorsers van die Ohio State University 'n nuwe instrument ontwikkel het wat die ontwerp van baie meer komplekse DNS-robotte en nanotoestelle moontlik maak as wat voorheen moontlik was. Terselfdertyd kan hierdie meer komplekse stelsels in net 'n fraksie van die tyd ontwikkel word. 

Die navorsing is verlede maand in die joernaal gepubliseer Nature Materials, en dit is gelei deur die voormalige ingenieursdoktorale student Chao-Min Huang. 

Die nuwe sagteware, genaamd MagicDNA, help navorsers om maniere te ontwerp om klein stringe DNA te kombineer om komplekse strukture te skep met dele soos rotors en skarniere. Hierdie dele kan beweeg en verskeie verskillende take voltooi, soos dwelmaflewering. 

Volgens Carlos Castro, mede-outeur van die navorsing en medeprofessor in meganiese en lugvaart-ingenieurswese aan die universiteit, het navorsers tradisioneel staatgemaak op stadiger gereedskap en handstappe vir hierdie prosesse.

"Maar nou, nanotoestelle wat ons dalk 'n paar dae geneem het om te ontwerp, neem ons nou net 'n paar minute," het Castro gesê.

Hierdie nuwe ontwerpe is baie meer kompleks en skep doeltreffende nano-toestelle.

Hai-Jun Su is nog 'n mede-outeur en professor in meganiese en lugvaart-ingenieurswese aan die universiteit. 

"Voorheen kon ons toestelle met tot ongeveer ses individuele komponente bou en dit met gewrigte en skarniere verbind en probeer om hulle komplekse bewegings uit te voer," het Su gesê.

“Met hierdie sagteware is dit nie moeilik om robotte of ander toestelle met meer as 20 komponente te maak wat baie makliker is om te beheer nie. Dit is ’n groot stap in ons vermoë om nanotoestelle te ontwerp wat die komplekse aksies kan uitvoer wat ons wil hê hulle moet doen.”

Die navorsers hoop dat die sagteware nie net beter ontwerpe en meer nuttige nanotoestelle sal skep nie, maar dat dit ook die tydraamwerk sal verkort wanneer dit alledaagse nutsmiddels sal word. 

Die nuwe benadering stel die navorsers in staat om die ontwerpproses in 3D uit te voer. Vroeëre gereedskap het in 2D gewerk, wat beteken het dat navorsers die skeppings in 3D moes karteer. Deur dit te doen, was die toestelle beperk in hul kompleksiteit. 

Onder na bo of bo af

Nog 'n sleutelaspek van die sagteware is dat dit navorsers in staat stel om DNS-strukture "onder na bo" of "van bo af" te skep. Met eersgenoemde organiseer navorsers individuele DNA-stringe in die gewenste struktuur, wat beteken dat hulle fyn beheer oor die plaaslike toestelstruktuur en -eienskappe kan hê. 

Met die “top-down”-benadering kan hulle besluit hoe die algehele toestel meetkundig gevorm moet word, en hulle kan dan die organisasie van die DNS-stringe outomatiseer. Deur die twee tegnieke te kombineer, kan die algehele geometrie meer kompleks word terwyl dit steeds presiese beheer oor individuele komponenteienskappe behou. 

Die sagteware laat die navorsers ook toe om te simuleer hoe die ontwerpte DNS-toestelle in die regte wêreld sou werk. 

"Soos jy hierdie strukture meer kompleks maak, is dit moeilik om presies te voorspel hoe hulle gaan lyk en hoe hulle gaan optree," het Castro gesê.

“Dit is van kritieke belang om te kan simuleer hoe ons toestelle werklik sal werk. Anders mors ons baie tyd.”

Die skep van die nanostrukture

Anjelica Kucinic is mede-outeur en 'n doktorale student in chemiese en biomolekulêre ingenieurswese by Ohio State. Kucinic het die span navorsers gelei in die maak en karakterisering van nanostrukture wat deur die sagteware ontwerp is.

Die toestelle wat deur die span geskep is, het robotarms met kloue ingesluit, en 'n honderd nanometer-grootte struktuur wat soos 'n vliegtuig lyk. Laasgenoemde is 1000 keer kleiner as die breedte van 'n enkele menslike haar. 

Hierdie toestelle kan groot implikasies in gesondheidsorg hê. 

"'n Meer komplekse toestel kan nie net bespeur dat iets sleg gebeur nie, maar kan ook reageer deur 'n dwelm vry te stel of die patogeen vas te vang," het Castro gesê

"Ons wil in staat wees om robotte te ontwerp wat op 'n spesifieke manier op 'n stimulus reageer of op 'n sekere manier beweeg."

"Daar word al hoe meer kommersiële belangstelling in DNA-nanotegnologie," het hy voortgegaan. "Ek dink in die volgende vyf tot 10 jaar sal ons kommersiële toepassings van DNA-nanotoestelle begin sien en ons is optimisties dat hierdie sagteware dit kan help aandryf."