Nuovo strumento progetta robot e nanodispositivi DNA complessi

Una delle aree più promettenti del campo della robotica coinvolge piccoli robot e nanodispositivi basati sul DNA, che gli scienziati ritengono saranno eventualmente in grado di consegnare farmaci mirati nel corpo umano. Potrebbero anche essere utilizzati per rilevare patogeni e portare allo sviluppo di elettronica più piccola.

Un recente progresso in questo settore è stato fatto quando ricercatori dell’Università statale dell’Ohio hanno sviluppato uno strumento nuovo che consente la progettazione di robot e nanodispositivi DNA molto più complessi di quanto fosse possibile in precedenza. Allo stesso tempo, questi sistemi più complessi possono essere sviluppati in una frazione del tempo.

La ricerca è stata pubblicata lo scorso mese sulla rivista Nature Materials, e è stata guidata dall’ex studente di dottorato in ingegneria Chao-Min Huang.

Il nuovo software, chiamato MagicDNA, aiuta i ricercatori a progettare modi per combinare piccole strutture di DNA per creare strutture complesse con parti come rotori e cerniere. Queste parti possono muoversi e completare vari compiti, come la consegna di farmaci.

Secondo Carlos Castro, coautore della ricerca e professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale all’università, i ricercatori hanno tradizionalmente fatto affidamento su strumenti più lenti e passaggi manuali per questi processi.

“Ma ora, nanodispositivi che potrebbero averci richiesto diversi giorni per essere progettati in precedenza, ora richiedono solo pochi minuti”, ha detto Castro.

Queste nuove progettazioni sono molto più complesse e creano nanodispositivi efficienti.

Hai-Jun Su è un altro coautore e professore di ingegneria meccanica e aerospaziale all’università.

“In precedenza, potevamo costruire dispositivi con fino a sei componenti individuali e collegarli con articolazioni e cerniere e cercare di farli eseguire movimenti complessi”, ha detto Su.

“Con questo software, non è difficile creare robot o altri dispositivi con oltre 20 componenti che sono molto più facili da controllare. È un grande passo avanti nella nostra capacità di progettare nanodispositivi che possono eseguire azioni complesse che vogliamo che facciano”.

I ricercatori sperano che il software non solo crei progettazioni migliori e nanodispositivi più utili, ma che accelererà anche il tempo necessario perché diventino strumenti quotidiani.

Il nuovo approccio consente ai ricercatori di eseguire il processo di progettazione in 3D. Gli strumenti precedenti funzionavano in 2D, il che significava che i ricercatori dovevano mappare le creazioni in 3D. Facendo ciò, i dispositivi erano limitati nella loro complessità.

Dal basso verso l’alto o dall’alto verso il basso

Un altro aspetto chiave del software è che consente ai ricercatori di creare strutture di DNA “dal basso verso l’alto” o “dall’alto verso il basso”. Con il primo, i ricercatori organizzano singole strutture di DNA nella struttura desiderata, il che significa che possono avere un controllo fine sulla struttura locale del dispositivo e sulle proprietà.

Con l’approccio “dall’alto verso il basso”, possono decidere come il dispositivo complessivo debba essere modellato geometricamente e possono quindi automatizzare l’organizzazione delle strutture di DNA. Combinando le due tecniche, la geometria complessiva può diventare più complessa pur mantenendo un controllo preciso sulle proprietà delle singole componenti.

Il software consente anche ai ricercatori di simulare come i dispositivi di DNA progettati funzionerebbero nel mondo reale.

“Man mano che rendiamo queste strutture più complesse, è difficile prevedere esattamente come saranno e come si comporteranno”, ha detto Castro.

“È fondamentale essere in grado di simulare come funzioneranno i nostri dispositivi. Altrimenti, sprechiamo molto tempo”.

Creazione delle nanostrutture

Anjelica Kucinic è coautrice e studentessa di dottorato in ingegneria chimica e biomolecolare all’Università statale dell’Ohio. Kucinic ha guidato il team di ricercatori nella creazione e caratterizzazione di nanostrutture progettate dal software.

I dispositivi creati dal team includevano bracci robotici con artigli e una struttura di 100 nanometri che assomiglia a un aereo. Quest’ultima è 1000 volte più piccola della larghezza di un singolo capello umano.

Questi dispositivi potrebbero avere grandi implicazioni nel settore sanitario.

“Un dispositivo più complesso potrebbe non solo rilevare che qualcosa di negativo sta accadendo, ma anche reagire rilasciando un farmaco o catturando il patogeno”, ha detto Castro.

“Vogliamo essere in grado di progettare robot che rispondano in un modo particolare a uno stimolo o si muovano in un certo modo”.

“Ci sarà sempre più interesse commerciale nella nanotecnologia del DNA”, ha continuato. “Penso che nei prossimi 5-10 anni inizieremo a vedere applicazioni commerciali di nanodispositivi DNA e siamo ottimisti che questo software possa aiutare a guidare questo processo”.