Νέα Σχεδιαστική Εργαλειοθήκη για Συμπλέγματα DNA και Νανοσυσκευές

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

Μια πρόσφατη πρόοδος σε αυτό το πεδίο ήρθε όταν ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Οχάιο ανέπτυξαν ένα νέο εργαλείο που επιτρέπει τη σχεδίαση πολύ πιο σύνθετων ρομποτικών συσκευών και νανοσυσκευών DNA από ό,τι ήταν δυνατόν προηγουμένως. Ταυτόχρονα, αυτές οι πιο σύνθετες συστήματα μπορούν να αναπτυχθούν σε μόλις μια μικρή parte του χρόνου.

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

Το νέο λογισμικό, που ονομάζεται MagicDNA, βοηθά τους ερευνητές να σχεδιάσουν τρόπους για να συνδυάσουν μικρές αλυσίδες DNA για να δημιουργήσουν σύνθετες δομές με μέρη όπως ρότορες και βραχίονες. Αυτά τα μέρη μπορούν να κινούνται και να ολοκληρώνουν διάφορες 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 χρειαζόταν beberapa ημέρες για να σχεδιαστούν προηγουμένως, τώρα χρειάζονται μόνο quelques λεπτά”, είπε ο Castro.

Αυτές οι νέες σχεδιαστικές είναι πολύ πιο σύνθετες 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 etwa έξι 개ividual μέρη και να τα συνδέσουμε με αρθρώσεις και βραχίονες και να προσπαθήσουμε να τις κάνουμε να εκτελέσουν σύνθετες κινήσεις”, είπε ο Su.

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

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

Η νέα προσέγγιση επιτρέπει στους ερευνητές να εκτελέσουν τη διαδικασία σχεδίασης σε 3D. Τα προηγούμενα εργαλεία λειτουργούσαν σε 2D, το οποίο σήμαινε ότι οι ερευνητές έπρεπε να χαρτογραφήσουν τις δημιουργίες τους σε 3D. Κάνοντας αυτό, οι συσκευές ήταν περιορισμένες στη σύνθεσή τους.

Βότσαλα ή Από ΠΑΝω

Ένα άλλο κρίσιμο στοιχείο του λογισμικού είναι ότι επιτρέπει στους ερευνητές να δημιουργήσουν δομές DNA “από τα βότσαλα” ή “από πάνω”. 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 “από πάνω” 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 σύνθετη ενώ διατηρείται η ακριβής έλεγχος των ατομικών ιδιοτήτων.

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

“Όσο κάνουμε αυτές τις δομές πιο σύνθετες, είναι δύσκολο να προβλέψουμε ακριβώς πώς θα φαίνονται και πώς θα συμπεριφέρονται”, είπε ο Castro.

“Είναι κρίσιμο να μπορούμε να προσομοιώσουμε πώς θα λειτουργήσουν οι συσκευές μας. Διαφορετικά, χάνουμε πολύ χρόνο.”

Δημιουργία των Νανοδομών

Η Anjelica Kucinic είναι συν-συγγραφέας και διδάκτωρ στο τμήμα χημικής και βιομοριακής μηχανικής 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 νανοδομή που μοιάζει με αεροπλάνο. Η τελευταία είναι 1000 φορές μικρότερη από το πλάτος ενός ανθρώπινου μαλλιού.

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

“Μια πιο σύνθετη συσκευή μπορεί όχι μόνο να ανιχνεύσει ότι κάτι κακό συμβαίνει, αλλά και να αντιδράσει με την απελευθέρωση ενός φαρμάκου ή την απαγωγή του παθογόνου”, είπε ο Castro

“Θέλουμε να μπορέσουμε να σχεδιάσουμε ρομποτικές συσκευές που να αντιδρούν με έναν συγκεκριμένο τρόπο σε ένα ερέθισμα ή να κινούνται με έναν συγκεκριμένο τρόπο.”

“Υπάρχει όλο και περισσότερο εμπορικό ενδιαφέρον για την τεχνολογία νανοδομών DNA”, συνέχισε. “Πιστεύω ότι τα επόμενα 5-10 χρόνια θα αρχίσουμε να βλέπουμε εμπορικές εφαρμογές νανοσυσκευών DNA και είμαστε αισιόδοξοι ότι αυτό το λογισμικό μπορεί να βοηθήσει να οδηγήσει σε αυτό.”