Un nouvel outil conçoit des robots et des nanodispositifs à ADN complexes

L'un des domaines les plus prometteurs du domaine de la robotique concerne les minuscules robots et nanodispositifs basés sur l'ADN, qui, selon les scientifiques, seront éventuellement capables de délivrer des médicaments ciblés dans le corps humain. Ils pourraient également être utilisés pour détecter des agents pathogènes et conduire au développement d'appareils électroniques plus petits.

Une avancée récente dans ce domaine est survenue lorsque des chercheurs de l'Ohio State University ont développé un nouvel outil qui permet la conception de robots et de nanodispositifs à ADN beaucoup plus complexes que ce qui était auparavant possible. Dans le même temps, ces systèmes plus complexes peuvent être développés en une fraction du temps. 

La recherche a été publiée le mois dernier dans la revue Nature Materials, et il était dirigé par l'ancien doctorant en ingénierie Chao-Min Huang. 

Le nouveau logiciel, appelé MagicDNA, aide les chercheurs à concevoir des moyens de combiner de minuscules brins d'ADN pour créer des structures complexes avec des pièces telles que des rotors et des charnières. Ces pièces peuvent se déplacer et accomplir diverses tâches différentes, telles que l'administration de médicaments. 

Selon Carlos Castro, co-auteur de la recherche et professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à l'université, les chercheurs se sont traditionnellement appuyés sur des outils plus lents et des étapes manuelles pour ces processus.

"Mais maintenant, les nanodispositifs qui nous ont peut-être pris plusieurs jours à concevoir auparavant ne nous prennent que quelques minutes", a déclaré Castro.

Ces nouvelles conceptions sont beaucoup plus complexes et créent des nanodispositifs efficaces.

Hai-Jun Su est un autre co-auteur et professeur de génie mécanique et aérospatial à l'université. 

"Auparavant, nous pouvions construire des appareils avec jusqu'à environ six composants individuels et les connecter avec des articulations et des charnières et essayer de leur faire exécuter des mouvements complexes", a déclaré Su.

"Avec ce logiciel, il n'est pas difficile de fabriquer des robots ou d'autres appareils avec plus de 20 composants qui sont beaucoup plus faciles à contrôler. C'est une étape importante dans notre capacité à concevoir des nanodispositifs capables d'effectuer les actions complexes que nous voulons qu'ils fassent.

Les chercheurs espèrent que le logiciel créera non seulement de meilleures conceptions et des nanodispositifs plus utiles, mais qu'il accélérera également le délai pour qu'ils deviennent des outils quotidiens. 

La nouvelle approche permet aux chercheurs de réaliser le processus de conception en 3D. Les outils précédents fonctionnaient en 2D, ce qui signifiait que les chercheurs devaient cartographier les créations en 3D. Ce faisant, les dispositifs étaient limités dans leur complexité. 

De bas en haut ou de haut en bas

Un autre aspect clé du logiciel est qu'il permet aux chercheurs de créer des structures d'ADN «de bas en haut» ou «de haut en bas». Avec le premier, les chercheurs organisent des brins d'ADN individuels dans la structure souhaitée, ce qui signifie qu'ils peuvent avoir un contrôle précis sur la structure et les propriétés du dispositif local. 

Avec l'approche « descendante », ils peuvent décider comment l'ensemble du dispositif doit être façonné géométriquement, et ils peuvent ensuite automatiser l'organisation des brins d'ADN. En combinant les deux techniques, la géométrie globale peut devenir plus complexe tout en maintenant un contrôle précis sur les propriétés des composants individuels. 

Le logiciel permet également aux chercheurs de simuler le fonctionnement des dispositifs à ADN conçus dans le monde réel. 

"Au fur et à mesure que vous rendez ces structures plus complexes, il est difficile de prédire exactement à quoi elles vont ressembler et comment elles vont se comporter", a déclaré Castro.

« Il est essentiel de pouvoir simuler le fonctionnement réel de nos appareils. Sinon, nous perdons beaucoup de temps.

Création des nanostructures

Anjelica Kucinic est co-auteur et doctorante en génie chimique et biomoléculaire à l'Ohio State. Kucinic a dirigé l'équipe de chercheurs dans la fabrication et la caractérisation des nanostructures conçues par le logiciel.

Les dispositifs créés par l'équipe comprenaient des bras de robot avec des griffes et une structure de la taille d'une centaine de nanomètres qui ressemble à un avion. Ce dernier est 1000 fois plus petit que la largeur d'un seul cheveu humain. 

Ces dispositifs pourraient s'avérer avoir de grandes implications dans les soins de santé. 

"Un appareil plus complexe peut non seulement détecter que quelque chose de grave se passe, mais peut également réagir en libérant un médicament ou en capturant l'agent pathogène", a déclaré Castro.

"Nous voulons être capables de concevoir des robots qui répondent d'une manière particulière à un stimulus ou se déplacent d'une certaine manière."

"Il y a de plus en plus d'intérêt commercial pour la nanotechnologie de l'ADN", a-t-il poursuivi. "Je pense que dans les cinq à 10 prochaines années, nous commencerons à voir des applications commerciales des nanodispositifs à ADN et nous sommes optimistes que ce logiciel puisse contribuer à cela."