Uusi Työkalu Suunnittelee Monimutkaisia DNA-Roboteja ja Nanolaitteita

Yksi robotiikan alan lupaavimmista aloista on DNA-pohjaiset robotit ja nanolaitteet, joita tutkijat uskovat pääsevän lopulta toimittamaan kohdennettua lääkehoitoa ihmiskehoon. Niitä voidaan myös käyttää patogeenien havaitsemiseen ja pienempien elektroniikka-laitteiden kehittämiseen.

Tässä alalla 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 -lehdessä, ja sen johti entinen insinööritieteellinen 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.

Tutkimuksen yhteiskirjoittaja ja yliopiston mekaniikan ja ilmailutekniikan apulaisprofessori Carlos Castro kertoo, että tutkijat ovat perinteisesti riippuvaisia hitaammista työkaluista ja manuaalisista vaiheista näissä prosesseissa.

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

Nämä uudet suunnitelmat ovat paljon monimutkaisempia ja luovat tehokkaita nanolaitteita.

Hai-Jun Su on toinen yhteiskirjoittaja ja yliopiston mekaniikan ja ilmailutekniikan professori.

“Aiemmin voimme rakentaa laitteita, joissa on enintään kuusi yksittäistä osaa ja yhdistää ne niveltimillä ja nivelillä ja yrittää saada ne suorittamaan monimutkaisia liikkeitä”, Su sanoi.

“Tällä ohjelmistolla ei ole vaikea luoda robotti tai muita laitteita, joissa on jopa 20 osaa, jotka ovat paljon helpompia hallita. Se on suuri askel kykyymme suunnitella nanolaitteita, jotka voivat suorittaa monimutkaisia tehtäviä, joita haluamme niiden tekemän.”

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

Uusi lähestymistapa mahdollistaa tutkijoille suunnitteluprosessin suorittamisen 3D-muodossa. Aiemmat työkalut toimivat 2D-muodossa, mikä tarkoitti, että tutkijoiden piti kartoittaa luomukset 3D-muotoon. Tämän seurauksena laitteet olivat rajoittuneita monimutkaisuudessaan.

Alhaalta Ylös tai Ylältä Alas

Ohjelmiston toinen tärkeä ominaisuus on se, että se mahdollistaa tutkijoille DNA-rakenteiden luomisen “alhaalta ylös” tai “ylältä alas”. Jälkimmäisessä tutkijat voivat päättää, miltä koko laitteen on tarkoitus olla geometrisesti, ja he voivat sitten automatisoida DNA-säikeiden järjestämisen. Yhdistämällä nämä kaksi tekniikkaa, koko geometria voi tulla monimutkaisemmaksi, samalla kun yksittäisten osien ominaisuuksia voidaan säilyttää tarkasti.

Ohjelmisto myös mahdollistaa tutkijoille simuloida, miten suunnitellut DNA-laitteet toimisivat todellisessa maailmassa.

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

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

Luomalla Nanorakenteet

Anjelica Kucinic on yhteiskirjoittaja ja tohtorikoulutettava kemian ja biomolekulaarisen insinööritieteellisessä tiedekunnassa Ohion osavaltion yliopistossa. Kucinic johti tutkijaryhmää, joka valmisti ja karakterisoi ohjelmistolla suunniteltuja nanorakenteita.

Joukkueen 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 huonoa tapahtuu, vaan voi myös reagoida vapauttamalla lääkettä tai sieppaamalla patogeenin”, Castro sanoi.

“Haluumme suunnitella robotti, joka reagoi tiettyyn ärsykkeeseen tai liikkuu tiettyyn tapaan.”

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