Νέα Σχεδιασμός Εργαλείων Συμπλεγμάτων DNA Ρομπότ και Νανοσυσκευών

Μια από τις πιο υποσχόμενες περιοχές του πεδίου της ρομποτικής ασχολείται με μικρά ρομπότ και νανοσυσκευές που βασίζονται στο DNA, τις οποίες οι επιστήμονες πιστεύουν ότι θα είναι σε θέση να παραδώσουν στοχευμένα φάρμακα στο ανθρώπινο σώμα. Θα μπορούσαν επίσης να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση παθογόνων και να οδηγήσουν στην ανάπτυξη μικρότερων ηλεκτρονικών.

Μια πρόσφατη πρόοδος σε αυτόν τον τομέα ήρθε όταν ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Οχάιο ανέπτυξαν ένα νέο εργαλείο που επιτρέπει τον σχεδιασμό πολύ πιο συμπλεγμάτων ρομπότ και νανοσυσκευών από ό,τι ήταν δυνατόν προηγουμένως. Ταυτόχρονα, αυτά τα πιο συμπλεγμένα συστήματα μπορούν να αναπτυχθούν σε ένα κλάσμα του χρόνου.

Η έρευνα δημοσιεύθηκε τον προηγούμενο μήνα στο περιοδικό Nature Materials, και ηγήθηκε από τον πρώην φοιτητή διδακτορικού προγράμματος Chao-Min Huang.

Το νέο λογισμικό, που ονομάζεται MagicDNA, βοηθά τους ερευνητές να σχεδιάσουν τρόπους για να συνδυάσουν μικρές αλυσίδες DNA για να δημιουργήσουν συμπλεγμένα συστήματα με μέρη όπως ρότορες και βραχίονες. Αυτά τα μέρη μπορούν να κινούνται και να ολοκληρώνουν διάφορες διαφορετικές εργασίες, όπως η παράδοση φαρμάκων.

Σύμφωνα με τον Carlos Castro, συν-συγγραφέα της έρευνας και αναπληρωτή καθηγητή μηχανικής και αεροδιαστημικής στο πανεπιστήμιο, οι ερευνητές έχουν παραδοσιακά βασιστεί σε αργότερα εργαλεία και χειροκίνητες διαδικασίες για αυτές τις διαδικασίες.

“Αλλά τώρα, νανοσυσκευές που μπορεί να μας πάρει几 ημέρες για να σχεδιαστούν πριν τώρα πάρει μας μόνο λίγα λεπτά”, είπε ο Castro.

Αυτά τα νέα σχέδια είναι πολύ πιο συμπλεγμένα και δημιουργούν αποτελεσματικές νανοσυσκευές.

Ο Hai-Jun Su είναι άλλος συν-συγγραφέας και καθηγητής μηχανικής και αεροδιαστημικής στο πανεπιστήμιο.

“Προηγουμένως, μπορούσαμε να κατασκευάσουμε συσκευές με μέχρι περίπου έξι 개ividual μέρη και να συνδέσουμε με αρθρώσεις και βραχίονες και να προσπαθήσουμε να τις κάνουμε να εκτελέσουν συμπλεγμένες κινήσεις”, είπε ο Su.

“Με αυτό το λογισμικό, δεν είναι δύσκολο να κατασκευάσουμε ρομπότ ή άλλες συσκευές με πάνω από 20 μέρη που είναι πολύ πιο εύκολες να ελεγχθούν. Είναι ένα τεράστιο βήμα στην ικανότητά μας να σχεδιάσουμε νανοσυσκευές που μπορούν να εκτελέσουν τις συμπλεγμένες ενέργειες που θέλουμε να κάνουν.”

Οι ερευνητές ελπίζουν ότι το λογισμικό δεν θα δημιουργήσει μόνο καλύτερες σχεδιάσεις και πιο χρήσιμες νανοσυσκευές, αλλά ότι θα επιταχύνει επίσης το χρονοδιάγραμμα για όταν θα γίνουν καθημερινά εργαλεία.

Η νέα προσέγγιση επιτρέπει στους ερευνητές να εκτελέσουν τη διαδικασία σχεδιασμού σε 3D. Προηγούμενα εργαλεία λειτουργούσαν σε 2D, που σημαίνει ότι οι ερευνητές έπρεπε να χαρτογραφήσουν τις δημιουργίες σε 3D. Κάνοντας αυτό, οι συσκευές ήταν περιορισμένες στη συμπλεγότητα τους.

Βόττομ Απ ή Τόπ Ντάουν

Ένα άλλο βασικό χαρακτηριστικό του λογισμικού είναι ότι επιτρέπει στους ερευνητές να δημιουργήσουν δομές DNA “βόττομ απ” ή “τόπ ντάουν”. Με την πρώτη, οι ερευνητές οργανώνουν ατομικές αλυσίδες DNA στη επιθυμητή δομή, που σημαίνει ότι μπορούν να έχουν λεπτή έλεγχο πάνω στη τοπική δομή και τις ιδιότητες της συσκευής.

Με την “τόπ ντάουν” προσέγγιση, μπορούν να αποφασίσουν πώς πρέπει να διαμορφωθεί η συνολική συσκευή γεωμετρικά, και μπορούν να αυτοματοποιήσουν την οργάνωση των αλυσίδων DNA. Συνδυάζοντας τις δύο τεχνικές, η συνολική γεωμετρία μπορεί να γίνει πιο συμπλεγμένη ενώ διατηρείται η ακριβής έλεγχο πάνω στις ιδιότητες των μεμονωμένων μερών.

Το λογισμικό επιτρέπει επίσης στους ερευνητές να προσομοιώσουν πώς θα λειτουργήσουν οι σχεδιασμένες συσκευές DNA στην πραγματική ζωή.

“Όσο κάνουμε αυτές τις δομές πιο συμπλεγμένες, είναι δύσκολο να προβλέψουμε ακριβώς τι θα μοιάζουν και πώς θα συμπεριφερθούν”, είπε ο Castro.

“Είναι κρίσιμο να μπορούμε να προσομοιώσουμε πώς θα λειτουργήσουν οι συσκευές μας στην πραγματικότητα. Αλλιώς, σπαταλούμε πολύ χρόνο.”

Δημιουργία Νανοδομών

Η Anjelica Kucinic είναι συν-συγγραφέας και φοιτήτρια διδακτορικού προγράμματος στη χημική και βιομοριακή μηχανική στο Οχάιο. Η Kucinic ηγήθηκε της ομάδας ερευνητών στην κατασκευή και χαρακτηρισμό νανοδομών που σχεδιάστηκαν από το λογισμικό.

Οι συσκευές που δημιουργήθηκαν από την ομάδα περιελάμβαναν ρομποτικά βραχίονες με γκαζιά και μια δομή 100 νανομετρά大きότητας που μοιάζει με αεροπλάνο. Η τελευταία είναι 1000 φορές μικρότερη από το πλάτος ενός ανθρώπινου μαλλιού.

Αυτές οι συσκευές θα μπορούσαν να αποδειχθούν ότι έχουν μεγάλες επιπτώσεις στην υγεία.

“Μια πιο συμπλεγμένη συσκευή μπορεί να ανιχνεύσει ότι κάτι κακό συμβαίνει, αλλά μπορεί επίσης να αντιδράσει με την απελευθέρωση ενός φαρμάκου ή την απαγωγή του παθογόνου”, είπε ο Castro.

“Θέλουμε να μπορούμε να σχεδιάσουμε ρομπότ που να αντιδρούν σε ένα συγκεκριμένο ερέθισμα ή να κινούνται με ένα συγκεκριμένο τρόπο.”

“Υπάρχει όλο και περισσότερο εμπορικό ενδιαφέρον για τη νανοτεχνολογία του DNA”, συνέχισε. “Πιστεύω ότι μέσα στα επόμενα 5-10 χρόνια θα αρχίσουμε να βλέπουμε εμπορικές εφαρμογές νανοσυσκευών DNA και είμαστε αισιόδοξοι ότι αυτό το λογισμικό μπορεί να βοηθήσει στην προώθηση αυτού.”