Uusi Työkalu Suunnittelee Monimutkaisia DNA-robotti- ja Nanolaitteita

Yksi robotiikan alueen lupaavimmista osa-alueista liittyy DNA-pohjaisiin roboteihin ja nanolaitteisiin, joita tutkijat uskovat lopulta pystyvän toimittamaan kohdennettua lääkehoitoa ihmiskehoon. Niitä voidaan myös käyttää patogeenien havaitsemiseen ja johtaa pienempien elektroniikka-laitteiden kehittymiseen.

Tässä alueessa tapahtui äskettäin edistysaskel, kun The Ohio State Universityn tutkijat kehittivät uuden työkalun, joka mahdollistaa monimutkaisempien DNA-robotien ja nanolaitteiden suunnittelun kuin aiemmin. Samalla nämä monimutkaisemmat järjestelmät voidaan kehittää vain murto-osassa aiemmasta ajasta.

Tutkimus julkaistiin viime kuussa Nature Materials -julkaisussa, ja sen johti entinen insinööritieteiden tohtorikoulutettava Chao-Min Huang.

Uusi ohjelmisto, joka on nimeltään MagicDNA, auttaa tutkijoita suunnittelemaan tapoja yhdistää pieniä DNA-säikeitä monimutkaisiksi rakenteiksi, joissa on osia kuten roottoreita ja nivelet. Nämä osat voivat liikkua ja suorittaa erilaisia tehtäviä, kuten lääkekuuri.

Ohio State Universityn mekaniikan ja ilmailutekniikan apulaisprofessori ja tutkimuksen yhteiskirjoittaja Carlos Castro kertoo, että tutkijat ovat perinteisesti riippuvaisia hitaammista työkaluista ja manuaalisista prosesseista näissä prosesseissa.

“Mutta nyt nanolaitteet, jotka olisivat aiemmin vaatineet useita päiviä suunnittelua, valmistuvat vain muutamassa minuutissa”, Castro sanoi.

Nämä uudet suunnitelmat ovat paljon monimutkaisempia ja luovat tehokkaampia nanolaitteita.

Hai-Jun Su on toinen yhteiskirjoittaja ja Ohio State Universityn mekaniikan ja ilmailutekniikan professori.

“Aiemmin voimme rakentaa laitteita, joissa on enintään noin kuusi yksittäistä osaa ja yhdistää ne nivelin ja säätää niitä suorittamaan monimutkaisia liikkeitä”, Su sanoi.

“Tällä ohjelmistolla ei ole vaikea luoda robotti- tai muita laitteita, joissa on jopa 20 osaa, jotka ovat paljon helpompia ohjata. Se on valtava askel kyvyssämme suunnitella nanolaitteita, jotka voivat suorittaa monimutkaisia toimintoja, joita haluamme niiden tekevän.”

Tutkijat toivovat, että ohjelmisto ei ainoastaan luo parempia suunnitelmia ja hyödyllisempiä nanolaitteita, vaan myös nopeuttaa aikataulua, jolloin ne tulevat arkipäiväisiksi työkaluiksi.

Uusi lähestymistapa mahdollistaa tutkijoille suunnitteluprosessin suorittamisen 3D-muodossa. Aikaisemmat työkalut toimivat 2D-muodossa, mikä tarkoitti, että tutkijoiden oli kartoitettava luomukset 3D-muotoon. Tällä tavoin laitteet olivat rajoittuneita monimutkaisuudessaan.

Alhaalta Ylös tai Ylältä Alas

Ohjelmiston toinen tärkeä ominaisuus on, että se mahdollistaa tutkijoille luoda DNA-rakenteita “alhaalta ylös” tai “ylältä alas”. Jälkimmäisessä tapauksessa tutkijat voivat päättää, miltä koko laitteen on tarkoitus olla geometrisesti, ja he voivat sitten automatisoida DNA-säikeiden järjestämisen. Yhdistämällä nämä kaksi tekniikkaa, koko laitteen geometria voi tulla monimutkaisemmaksi samalla, kun yksittäisten osien ominaisuuksien tarkka hallinta säilyy.

Ohjelmisto mahdollistaa myös tutkijoille simuloida suunniteltujen DNA-laitteiden toimintaa todellisessa maailmassa.

“Kun nämä rakenteet tulevat monimutkaisemmiksi, on vaikea ennustaa tarkasti, miltä ne tulevat näyttämään ja miten ne tulevat käyttäytymään”, Castro sanoi.

“On kriittinen asia pystyä simuloimaan, miten laitteemme toimivat todella. Muuten menetämme paljon aikaa.”

Nanostruktuurien Luominen

Anjelica Kucinic on yhteiskirjoittaja ja tohtorikoulutettava kemian ja biotekniikan insinööritieteessä Ohio State Universityssa. Kucinic johti tutkijaryhmää, joka valmisti ja karakterisoi ohjelmistolla suunniteltuja nanostruktuureja.

Tutkijaryhmän luomat laitteet sisälsivät robotti-käsivarret ja kynnet, sekä 100 nanometrin kokoisen rakenteen, joka muistuttaa lentokonetta. Jälkimmäinen on 1000 kertaa pienempi kuin yhden ihmisen hiuksen leveys.

Nämä laitteet voivat olla suuria vaikutuksia terveydenhuollossa.

“Monimutkaisempi laite ei ainoastaan havaitse, että jotain pahaa tapahtuu, vaan voi myös reagoida vapauttamalla lääkettä tai sieppaamalla patogeenin”, Castro sanoi.

“Haluumme pystyä suunnittelemaan roboteja, jotka reagoivat tietyn stimulaation tai liikkuvat tiettyyn tapaan.”

“On tuleva yhä enemmän kaupallista kiinnostusta DNA-nanoteknologiaa kohtaan”, hän jatkoi. “Uskon, että seuraavien 5-10 vuoden aikana näemme kaupallisia sovelluksia DNA-nanolaitteista, ja olemme optimistisia, että tämä ohjelmisto voi auttaa ajamaan sitä.”