Uus tööriist kavandab keerulisi DNA-roboteid ja nanoseadmeid

Robootikavaldkonna üks paljutõotavamaid valdkondi hõlmab pisikesi DNA-põhiseid roboteid ja nanoseadmeid, mis teadlaste arvates suudavad lõpuks inimkehasse sihipäraseid ravimeid tarnida. Neid saab kasutada ka patogeenide tuvastamiseks ja väiksema elektroonika väljatöötamiseks.

Hiljutine edusamm selles valdkonnas tuli siis, kui Ohio osariigi ülikooli teadlased töötasid välja uue tööriista, mis võimaldab kavandada palju keerukamaid DNA-roboteid ja nanoseadmeid, kui see oli varem võimalik. Samal ajal saab neid keerukamaid süsteeme välja töötada vaid murdosa ajast. 

Uuring avaldati eelmisel kuul ajakirjas Nature Materials, ja seda juhtis endine inseneriteaduste doktorant Chao-Min Huang. 

Uus tarkvara nimega MagicDNA aitab teadlastel kavandada viise, kuidas ühendada pisikesi DNA ahelaid, et luua keerulisi struktuure selliste osadega nagu rootorid ja hinged. Need osad võivad liikuda ja täita erinevaid ülesandeid, näiteks ravimite kohaletoimetamist. 

Teadustöö kaasautori ning ülikooli mehaanika- ja kosmosetehnika dotsendi Carlos Castro sõnul on teadlased nende protsesside puhul traditsiooniliselt tuginenud aeglasematele tööriistadele ja käsitsi tehtud sammudele.

"Kuid nüüd kulub nanoseadmetel, mille projekteerimine võttis meil varem mitu päeva, vaid paar minutit," ütles Castro.

Need uued kujundused on palju keerukamad ja loovad tõhusaid nanoseadmeid.

Hai-Jun Su on veel üks ülikooli mehaanika- ja kosmosetehnika kaasautor ja professor. 

"Varem saime ehitada kuni kuue üksiku komponendiga seadmeid ja ühendada need liigendite ja hingedega ning proovida panna neid keerulisi liigutusi tegema," ütles Su.

"Selle tarkvaraga pole raske teha roboteid või muid seadmeid, mis sisaldavad rohkem kui 20 komponenti ja mida on palju lihtsam juhtida. See on suur samm meie suutlikkuses kavandada nanoseadmeid, mis suudavad täita keerulisi toiminguid, mida me soovime.

Teadlased loodavad, et tarkvara ei loo mitte ainult paremaid kujundusi ja kasulikumaid nanoseadmeid, vaid kiirendab ka ajakava, mil neist saavad igapäevased tööriistad. 

Uus lähenemisviis võimaldab teadlastel projekteerimisprotsessi läbi viia 3D-s. Varasemad tööriistad töötasid 2D-s, mis tähendas, et teadlased pidid loomingu 3D-sse kaardistama. Seda tehes piirati seadmete keerukust. 

Alt üles või ülevalt alla

Tarkvara teine ​​​​oluline aspekt on see, et see võimaldab teadlastel luua DNA struktuure "alt üles" või "ülevalt alla". Esimesega korraldavad teadlased DNA üksikud ahelad soovitud struktuuri, mis tähendab, et neil on täpne kontroll kohaliku seadme struktuuri ja omaduste üle. 

Ülalt alla lähenemisviisi abil saavad nad otsustada, kuidas kogu seadet tuleb geomeetriliselt kujundada, ja seejärel automatiseerida DNA ahelate korraldamist. Kahe tehnika kombineerimisel võib üldine geomeetria muutuda keerukamaks, säilitades samas täpse kontrolli üksikute komponentide omaduste üle. 

Tarkvara võimaldab ka teadlastel simuleerida, kuidas kavandatud DNA-seadmed reaalses maailmas toimiksid. 

"Kuna muudate need struktuurid keerukamaks, on raske täpselt ennustada, millised need välja näevad ja kuidas nad käituvad," ütles Castro.

„Oluline on simuleerida, kuidas meie seadmed tegelikult töötavad. Vastasel juhul raiskame palju aega.

Nanostruktuuride loomine

Anjelica Kucinic on Ohio osariigi keemia- ja biomolekulaartehnoloogia kaasautor ja doktorant. Kucinic juhtis teadlaste meeskonda tarkvara poolt kavandatud nanostruktuuride loomisel ja iseloomustamisel.

Meeskonna loodud seadmete hulka kuulusid küünistega robotkäed ja saja nanomeetri suurune konstruktsioon, mis näeb välja nagu lennuk. Viimane on 1000 korda väiksem kui ühe inimese juuksekarva laius. 

Nendel seadmetel võib olla suur mõju tervishoiule. 

"Keerulisem seade ei pruugi mitte ainult tuvastada, et midagi halba on juhtumas, vaid võib ka reageerida, vabastades ravimit või püüdes kinni patogeeni," ütles Castro.

"Me tahame luua roboteid, mis reageerivad teatud viisil stiimulile või liiguvad teatud viisil."

"DNA nanotehnoloogia vastu on järjest suurem kaubanduslik huvi," jätkas ta. "Ma arvan, et järgmise viie kuni kümne aasta jooksul hakkame nägema DNA nanoseadmete kaubanduslikke rakendusi ja oleme optimistlikud, et see tarkvara aitab seda juhtida."