Nová nástrojová konstrukce komplexních DNA robotů a nanodevice

Jedním z nejperspektivnějších oblastí robotiky jsou tiny DNA-založené roboty a nanodevices, které vědci věří, že budou nakonec schopny dodávat cílené léky v lidském těle. Mohly by být také použity k detekci patogenů a vést k vývoji menších elektronických zařízení.

Poslední pokrok v této oblasti přišel, když výzkumníci z Ohijské státní univerzity vyvinuli novou nástroj, která umožňuje navrhnout daleko složitější DNA roboty a nanodevices, než tomu bylo dříve možné. Současně lze tyto složitější systémy vyvinout za zlomek času.

Výzkum byl zveřejněn minulý měsíc v časopise Nature Materials, a byl veden bývalým doktorandem Chao-Minem Huangem.

Nový software, nazvaný MagicDNA, pomáhá výzkumníkům navrhnout způsoby, jak kombinovat tiny DNA řetězce, aby vytvořily složitější struktury s částmi, jako jsou rotory a závěsy. Tyto části mohou se pohybovat a dokončovat různé úkoly, jako je dodávka léků.

Podle Carlos Castro, spolautor výzkumu a docent mechanického a aerokosmického inženýrství na univerzitě, výzkumníci tradičně spoléhali na pomalejší nástroje a manuální kroky pro tyto procesy.

“Ale nyní, nanodevices, které by nám dříve trvaly několik dní na navržení, nyní trvají pouze několik minut,” řekl Castro.

Tyto nové návrhy jsou daleko složitější a vytvářejí efektivní nanodevices.

Hai-Jun Su je další spolautor a profesor mechanického a aerokosmického inženýrství na univerzitě.

“Předtím jsme mohli postavit zařízení se šesti jednotlivými součástmi a spojovat je s klouby a závěsy a snažit se je provést složitými pohyby,” řekl Su.

“S tímto softwarem není obtížné vytvořit roboty nebo jiná zařízení s více než 20 součástmi, které jsou mnohem snadněji ovladatelné. Je to obrovský krok v naší schopnosti navrhnout nanodevices, které mohou provádět složitější akce, které chceme, aby dělaly.”

Výzkumníci doufají, že software nejenom vytvoří lepší návrhy a užitečnější nanodevices, ale že také urychlí časový rámec, kdy se stanou všedními nástroji.

Nový přístup umožňuje výzkumníkům provést návrhový proces ve 3D. Předchozí nástroje pracovaly ve 2D, což znamenalo, že výzkumníci museli mapovat své výtvory do 3D. Tímto způsobem byly zařízení omezena ve své složitosti.

Shora dolů nebo zdola nahoru

Dalším důležitým aspektem softwaru je, že umožňuje výzkumníkům vytvářet DNA struktury “zdola nahoru” nebo “shora dolů”. S prvním přístupem výzkumníci organizují jednotlivé DNA řetězce do požadované struktury, což znamená, že mohou mít jemnou kontrolu nad místními vlastnostmi zařízení.

S přístupem “shora dolů” mohou rozhodnout, jak by mělo zařízení vypadat geometricky, a poté automatizovat organizaci DNA řetězců. Kombinací obou technik může celková geometrie být složitější, zatímco se stále udržuje přesná kontrola nad jednotlivými součástmi.

Software také umožňuje výzkumníkům simulovat, jak navržené DNA zařízení bude fungovat ve skutečném světě.

“Jak vytváříme tyto struktury složitější, je obtížné předpovědět přesně, jak budou vypadat a jak budou fungovat,” řekl Castro.

“Je kritické být schopni simulovat, jak naše zařízení budou fungovat. Jinak ztratíme mnoho času.”

Vytváření nanostruktur

Anjelica Kucinic je spolautor a doktorand chemického a biomolekulárního inženýrství na Ohijské státní univerzitě. Kucinic vedla tým výzkumníků, kteří vytvářeli a charakterizovali nanostruktury navržené softwarem.

Zařízení vytvořená týmem zahrnovala robotické rameno se svěrkami a strukturu o velikosti 100 nanometrů, která vypadá jako letadlo. Ta je 1000krát menší než šířka jednoho lidského vlasu.

Tato zařízení mohou mít velké důsledky pro zdravotnictví.

“Složitější zařízení nemusí pouze detekovat, že se něco špatného děje, ale mohou také reagovat uvolněním léku nebo zachycením patogenu,” řekl Castro.

“Chceme být schopni navrhnout roboty, které reagují určitým způsobem na stimul nebo se pohybují určitým způsobem.”

“Stává se, že je zde stále více komerčního zájmu o DNA nanotechnologii,” pokračoval. “Myslím, že v příštích pěti až 10 letech uvidíme komerční aplikace DNA nanodevice a jsme optimističtí, že tento software může pomoci pohánět to.”