Nyt værktøj designer komplekse DNA-robotter og nanodevices

En af de mest lovende områder inden for robotteknologien omfatter tiny DNA-baserede robotter og nanodevices, som videnskabsfolk mener vil være i stand til at levere målrettet medicin i den menneskelige krop. De kan også bruges til at opdage patogener og føre til udviklingen af mindre elektronik.

En seneste fremgang inden for dette område kom, da forskere fra The Ohio State University udviklede et nyt værktøj, der muliggør design af langt mere komplekse DNA-robotter og nanodevices, end hvad der tidligere var muligt. Samtidig kan disse mere komplekse systemer udvikles på blot en brøkdel af tiden.

Forskningen blev offentliggjort sidste måned i tidsskriftet Nature Materials, og det blev ledet af tidligere ingeniør-ph.d.-studerende Chao-Min Huang.

Det nye software, kaldet MagicDNA, hjælper forskere med at designe måder at kombinere små DNA-strænge for at skabe komplekse strukturer med dele som rotor og hængsler. Disse dele kan bevæge sig og udføre forskellige opgaver, såsom lækedelingslevering.

Ifølge Carlos Castro, medforfatter af forskningen og lektor i mekanisk og rumfartsingeniørvidenskab på universitetet, har forskere traditionelt afhængigt af langsommere værktøjer og manuelle trin i disse processer.

“Men nu kan nanodevices, der måske tidligere ville have taget os flere dage at designe, nu tage os kun få minutter,” sagde Castro.

Disse nye designs er langt mere komplekse og skaber effektive nanodevices.

Hai-Jun Su er en anden medforfatter og professor i mekanisk og rumfartsingeniørvidenskab på universitetet.

“Tidligere kunne vi bygge enheder med op til omkring seks enkeltdele og forbinde dem med ledder og hængsler og prøve at få dem til at udføre komplekse bevægelser,” sagde Su.

“Med dette software er det ikke svært at lave robotter eller andre enheder med op til 20 dele, der er langt lettere at styre. Det er et enormt skridt i vores evne til at designe nanodevices, der kan udføre de komplekse handlinger, vi ønsker, de skal udføre.”

Forskerne håber, at softwaren ikke kun vil skabe bedre designs og mere nyttige nanodevices, men også vil accelerere tidsrammen for, hvornår de vil blive hverdagsværktøjer.

Den nye tilgang muliggør, at forskerne kan udføre designprocessen i 3D. Tidligere værktøjer fungerede i 2D, hvilket betød, at forskerne måtte kortlægge skabninger i 3D. Ved at gøre dette var enhederne begrænsede i deres kompleksitet.

Bottom Up eller Top Down

En anden vigtig aspekt af softwaren er, at den muliggør, at forskerne kan skabe DNA-strukturer “bottom up” eller “top down”. Med den første organiserer forskerne enkeltdele af DNA i den ønskede struktur, hvilket betyder, de kan have fin kontrol over lokale enhedsstruktur og egenskaber.

Med “top down”-tilgangen kan de beslutte, hvordan den samlede enhed behøver at være formet geometrisk, og de kan derefter automatisere organisationen af DNA-strængene. Ved at kombinere de to teknikker kan den samlede geometri blive mere kompleks, mens man stadig opretholder præcis kontrol over enkeltkomponentegenskaber.

Softwaren tillader også, at forskerne kan simulere, hvordan de designede DNA-enheder ville fungere i den virkelige verden.

“Når vi gør disse strukturer mere komplekse, er det svært at forudsige nøjagtigt, hvordan de vil se ud og opføre sig,” sagde Castro.

“Det er kritisk at kunne simulere, hvordan vores enheder vil fungere i virkeligheden. Ellers spilder vi meget tid.”

Skabelse af nanostrukturer

Anjelica Kucinic er medforfatter og ph.d.-studerende i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab på Ohio State. Kucinic ledte holdet af forskere i at lave og karakterisere nanostrukturer designede af softwaren.

Enhederne, der blev skabt af holdet, omfattede robotarme med kloer og en hundred nanometer-størrelse-struktur, der ligner et fly. Sidstnævnte er 1000 gange mindre end bredden af et enkelt menneskehår.

Disse enheder kan have store implikationer for sundhedsplejen.

“En mere kompleks enhed kan ikke kun opdage, at noget dårligt sker, men kan også reagere ved at frigøre en lækedel eller fange patogenen,” sagde Castro

“Vi ønsker at kunne designe robotter, der reagerer på en bestemt måde på en stimulus eller bevæger sig på en bestemt måde.”

“Der er mere og mere kommerciel interesse for DNA-nanoteknologi,” fortsatte han. “Jeg tror, at vi inden for de næste 5-10 år vil begynde at se kommercielle anvendelser af DNA-nanodevices, og vi er optimistiske om, at dette software kan hjælpe med at drive det.”