Nouvel outil de conception de robots et de nanodispositifs à base d’ADN complexes

L’un des domaines les plus prometteurs du champ de la robotique concerne les robots et les nanodispositifs à base d’ADN, que les scientifiques pensent être capables de délivrer des médicaments ciblés dans le corps humain. Ils pourraient également être utilisés pour détecter les agents pathogènes et conduire au développement d’électroniques plus petites.

Une avancée récente dans ce domaine a été réalisée lorsque des chercheurs de l’Université d’État de l’Ohio ont développé un nouvel outil qui permet de concevoir des robots et des nanodispositifs à base d’ADN beaucoup plus complexes que ceux qui étaient possibles auparavant. En 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 elle a été menée par l’ancien étudiant en doctorat en ingénierie Chao-Min Huang.

Le nouveau logiciel, appelé MagicDNA, aide les chercheurs à concevoir des moyens de combiner de minces brins d’ADN pour créer des structures complexes avec des pièces telles que des rotors et des charnières. Ces pièces peuvent se déplacer et effectuer diverses tâches, telles que la délivrance de médicaments.

Selon Carlos Castro, co-auteur de la recherche et professeur agrégé de génie mécanique et aérospatiale à l’université, les chercheurs ont traditionnellement reposé sur des outils plus lents et des étapes manuelles pour ces processus.

“Mais maintenant, les nanodispositifs qui nous auraient pris plusieurs jours à concevoir auparavant prennent maintenant seulement 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 aérospatiale à l’université.

“Auparavant, nous pouvions construire des appareils avec jusqu’à environ six composants individuels et les relier avec des charnières et des articulations et essayer de les faire exécuter des mouvements complexes”, a déclaré Su.

“Avec ce logiciel, il n’est pas difficile de créer des robots ou d’autres appareils avec plus de 20 composants qui sont beaucoup plus faciles à contrôler. C’est un énorme pas en avant dans notre capacité à concevoir des nanodispositifs qui peuvent effectuer les actions complexes que nous voulons qu’ils fassent.”

Les chercheurs espèrent que le logiciel ne créera pas seulement de meilleures conceptions et des nanodispositifs plus utiles, mais qu’il accélérera également le calendrier pour les rendre des outils courants.

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. En faisant cela, les appareils 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 la première approche, 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 locales de l’appareil.

Avec l’approche “de haut en bas”, ils peuvent décider de la forme géométrique globale de l’appareil et 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 la façon dont les appareils d’ADN conçus fonctionneraient dans le monde réel.

“Lorsque vous rendez ces structures plus complexes, il est difficile de prédire exactement à quoi elles ressembleront et comment elles se comporteront”, a déclaré Castro.

“Il est essentiel de pouvoir simuler la façon dont nos appareils fonctionneront réellement. Sinon, nous gaspillons beaucoup de temps.”

Création des nanostructures

Anjelica Kucinic est co-auteur et étudiante en doctorat en génie chimique et biomoléculaire à l’Université d’État de l’Ohio. Kucinic a dirigé l’équipe de chercheurs pour créer et caractériser les nanostructures conçues par le logiciel.

Les appareils créés par l’équipe comprenaient des bras de robot avec des griffes et une structure de 100 nanomètres qui ressemble à un avion. Cette dernière est 1000 fois plus petite que la largeur d’un seul cheveu humain.

Ces appareils pourraient avoir de grandes implications dans les soins de santé.

“Un appareil plus complexe ne détecte pas seulement que quelque chose de mauvais se passe, mais peut également réagir en libérant un médicament ou en capturant l’agent pathogène”, a déclaré Castro

“Nous voulons être en mesure de concevoir des robots qui réagissent d’une certaine manière 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 continué. “Je pense que dans les cinq à dix prochaines années, nous allons commencer à voir des applications commerciales de nanodispositifs à base d’ADN et nous sommes optimistes que ce logiciel peut aider à les promouvoir.”