Nuevo Diseño de Herramientas para Robots y Nanodispositivos de ADN Complejos

Una de las áreas más prometedoras en el campo de la robótica implica robots y nanodispositivos basados en ADN, que los científicos creen que eventualmente serán capaces de entregar medicamentos dirigidos en el cuerpo humano. También podrían ser utilizados para detectar patógenos y llevar al desarrollo de electrónica más pequeña.

Un avance reciente en este área se produjo cuando los investigadores de la Universidad Estatal de Ohio desarrollaron una nueva herramienta que permite diseñar robots y nanodispositivos de ADN mucho más complejos de lo que era posible anteriormente. Al mismo tiempo, estos sistemas más complejos pueden desarrollarse en solo una fracción del tiempo.

La investigación se publicó el mes pasado en la revista Nature Materials, y fue liderada por el ex estudiante de doctorado en ingeniería Chao-Min Huang.

El nuevo software, llamado MagicDNA, ayuda a los investigadores a diseñar formas de combinar hebras diminutas de ADN para crear estructuras complejas con partes como rotores y bisagras. Estas partes pueden moverse y completar diversas tareas, como la entrega de medicamentos.

Según Carlos Castro, coautor de la investigación y profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial en la universidad, los investigadores tradicionalmente han confiado en herramientas más lentas y pasos manuales para estos procesos.

“Pero ahora, los nanodispositivos que pueden haber tardado varios días en diseñar antes ahora tardan solo unos minutos”, dijo Castro.

Estos nuevos diseños son mucho más complejos y crean nanodispositivos eficientes.

Hai-Jun Su es otro coautor y profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en la universidad.

“Anteriormente, podíamos construir dispositivos con hasta seis componentes individuales y conectarlos con articulaciones y bisagras, y tratar de hacer que ejecuten movimientos complejos”, dijo Su.

“Con este software, no es difícil crear robots u otros dispositivos con más de 20 componentes que son mucho más fáciles de controlar. Es un gran paso en nuestra capacidad para diseñar nanodispositivos que puedan realizar las acciones complejas que queremos que hagan”.

Los investigadores esperan que el software no solo cree mejores diseños y nanodispositivos más útiles, sino que también acelere el marco de tiempo para cuando se convertirán en herramientas cotidianas.

El nuevo enfoque permite a los investigadores realizar el proceso de diseño en 3D. Las herramientas anteriores funcionaban en 2D, lo que significaba que los investigadores tenían que mapear las creaciones en 3D. Al hacerlo, los dispositivos se limitaban en su complejidad.

De Abajo Hacia Arriba o de Arriba Hacia Abajo

Otro aspecto clave del software es que permite a los investigadores crear estructuras de ADN “de abajo hacia arriba” o “de arriba hacia abajo”. Con el primero, los investigadores organizan hebras individuales de ADN en la estructura deseada, lo que significa que pueden tener un control fino sobre la estructura y las propiedades del dispositivo local.

Con el enfoque “de arriba hacia abajo”, pueden decidir cómo debe estar configurado geométricamente el dispositivo en general, y luego pueden automatizar la organización de las hebras de ADN. Al combinar las dos técnicas, la geometría general puede volverse más compleja mientras se mantiene un control preciso sobre las propiedades de los componentes individuales.

El software también permite a los investigadores simular cómo funcionarían los dispositivos de ADN diseñados en el mundo real.

“A medida que se hacen estas estructuras más complejas, es difícil predecir exactamente cómo se verán y cómo se comportarán”, dijo Castro.

“Es fundamental poder simular cómo funcionarán nuestros dispositivos. De lo contrario, desperdiciamos mucho tiempo”.

Creación de Nanoestructuras

Anjelica Kucinic es coautora y estudiante de doctorado en ingeniería química y biomolecular en Ohio State. Kucinic lideró el equipo de investigadores en la creación y caracterización de nanoestructuras diseñadas por el software.

Los dispositivos creados por el equipo incluyeron brazos de robot con garras y una estructura de cien nanómetros que se parece a un avión. Esta última es 1000 veces más pequeña que el ancho de un solo cabello humano.

Estos dispositivos podrían tener grandes implicaciones en la atención médica.

“Un dispositivo más complejo no solo puede detectar que algo malo está sucediendo, sino que también puede reaccionar liberando un medicamento o capturando el patógeno”, dijo Castro.

“Queremos poder diseñar robots que respondan de una manera particular a un estímulo o se muevan de una cierta manera”.

“Está habiendo cada vez más interés comercial en la nanotecnología de ADN”, continuó. “Creo que en los próximos cinco a 10 años comenzaremos a ver aplicaciones comerciales de nanodispositivos de ADN y somos optimistas de que este software pueda ayudar a impulsar eso”.