Neues Werkzeug zur Erstellung komplexer DNA-Roboter und Nanogeräte

Eines der vielversprechendsten Gebiete der Robotik sind winzige DNA-basierte Roboter und Nanogeräte, die Wissenschaftler glauben, dass sie letztendlich in der Lage sein werden, gezielte Medikamente im menschlichen Körper abzuliefern. Sie könnten auch verwendet werden, um Krankheitserreger zu erkennen und zur Entwicklung kleinerer Elektronik zu führen.

Ein wichtiger Fortschritt in diesem Bereich wurde von Forschern der Ohio State University erzielt, die ein neues Werkzeug entwickelten, das es ermöglicht, komplexere DNA-Roboter und Nanogeräte zu entwerfen, als es bisher möglich war. Gleichzeitig können diese komplexeren Systeme in nur einem Bruchteil der Zeit entwickelt werden.

Die Forschung wurde letzten Monat in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht und von dem ehemaligen Ingenieur-Doktoranden Chao-Min Huang geleitet.

Die neue Software, die MagicDNA genannt wird, hilft Forschern, Wege zu finden, um winzige DNA-Stränge zu kombinieren, um komplexe Strukturen mit Teilen wie Rotoren und Scharnieren zu erstellen. Diese Teile können sich bewegen und verschiedene Aufgaben ausführen, wie z.B. die Abgabe von Medikamenten.

Laut Carlos Castro, Co-Autor der Forschung und Associate Professor für Mechanik und Luft- und Raumfahrttechnik an der Universität, haben Forscher traditionell auf langsamere Werkzeuge und manuelle Schritte für diese Prozesse zurückgegriffen.

“Aber jetzt können Nanogeräte, die uns früher einige Tage zur Entwicklung benötigt haben, in nur wenigen Minuten entworfen werden”, sagte Castro.

Diese neuen Entwürfe sind viel komplexer und erzeugen effiziente Nanogeräte.

Hai-Jun Su ist ein weiterer Co-Autor und Professor für Mechanik und Luft- und Raumfahrttechnik an der Universität.

“Früher konnten wir Geräte mit bis zu sechs einzelnen Komponenten bauen und sie mit Gelenken und Scharnieren verbinden und versuchen, komplexe Bewegungen auszuführen”, sagte Su.

“Mit dieser Software ist es nicht schwer, Roboter oder andere Geräte mit bis zu 20 Komponenten zu erstellen, die viel einfacher zu steuern sind. Es ist ein großer Schritt in unserer Fähigkeit, Nanogeräte zu entwerfen, die komplexe Aktionen ausführen können, die wir von ihnen verlangen.”

Die Forscher hoffen, dass die Software nicht nur bessere Entwürfe und nützlichere Nanogeräte hervorbringen, sondern auch den Zeitrahmen für ihre Verwendung als alltägliche Werkzeuge verkürzen wird.

Der neue Ansatz ermöglicht es den Forschern, den Entwurfsprozess in 3D durchzuführen. Frühere Werkzeuge arbeiteten in 2D, was bedeutete, dass die Forscher ihre Kreationen in 3D umwandeln mussten. Durch diese Umwandlung waren die Geräte in ihrer Komplexität begrenzt.

Bottom Up oder Top Down

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Software ist, dass sie es Forschern ermöglicht, DNA-Strukturen “bottom up” oder “top down” zu erstellen. Bei der ersten Methode organisieren die Forscher einzelne DNA-Stränge in die gewünschte Struktur, was bedeutet, dass sie eine feine Kontrolle über die lokale Gerätestruktur und -eigenschaften haben.

Bei der “top down”-Methode können sie entscheiden, wie das Gesamtsystem geometrisch geformt werden muss, und dann die Organisation der DNA-Stränge automatisieren. Durch die Kombination beider Methoden kann die Gesamtgeometrie komplexer werden, während gleichzeitig eine präzise Kontrolle über die Eigenschaften einzelner Komponenten aufrechterhalten wird.

Die Software ermöglicht es den Forschern auch, zu simulieren, wie die entworfenen DNA-Geräte in der realen Welt funktionieren würden.

“Wenn man diese Strukturen komplexer macht, ist es schwierig, genau vorherzusagen, wie sie aussehen und wie sie sich verhalten werden”, sagte Castro.

“Es ist kritisch, in der Lage zu sein, zu simulieren, wie unsere Geräte tatsächlich funktionieren werden. Andernfalls verschwenden wir viel Zeit.”

Erstellung der Nanostrukturen

Anjelica Kucinic ist Co-Autorin und Doktorandin im Bereich Chemie und Biomolekularingenieurwesen an der Ohio State University. Kucinic leitete das Team der Forscher, die Nanostrukturen erstellten und charakterisierten, die von der Software entworfen wurden.

Die von dem Team erstellten Geräte umfassten Roboterarme mit Greifern und eine 100 Nanometer große Struktur, die wie ein Flugzeug aussieht. Letztere ist 1000 Mal kleiner als die Breite eines einzelnen menschlichen Haares.

Diese Geräte könnten große Auswirkungen auf die Gesundheitsversorgung haben.

“Ein komplexeres Gerät kann nicht nur erkennen, dass etwas Schlechtes passiert, sondern auch reagieren, indem es ein Medikament abgibt oder den Krankheitserreger einfängt”, sagte Castro.

“Wir möchten in der Lage sein, Roboter zu entwerfen, die auf eine bestimmte Weise auf einen Reiz reagieren oder sich auf eine bestimmte Weise bewegen.”

“Es gibt immer mehr kommerzielles Interesse an DNA-Nanotechnologie”, fuhr er fort. “Ich denke, dass wir in den nächsten fünf bis zehn Jahren kommerzielle Anwendungen von DNA-Nanogeräten sehen werden und wir sind optimistisch, dass diese Software dazu beitragen kann.”