新しいツールが複雑なDNAロボットとナノデバイスを設計する

ロボティクス分野の中で最も期待される分野の1つは、DNAベースのロボットとナノデバイスの開発であり、科学者はこれらが最終的にターゲットを特定して薬剤を人間の体内に送達できるようになることを期待している。また、病原体を検出して小型の電子機器の開発にも役立つ可能性がある。

この分野における最近の進歩は、オハイオ州立大学の研究者が、以前よりもはるかに複雑なDNAロボットとナノデバイスを設計できる新しいツールを開発したことである。また、これらのより複雑なシステムは、以前よりも短時間で開発できる。

この研究は、先月、Nature Materials誌に発表され、元工学博士課程の学生であるChao-Min Huangによって率いられた。

MagicDNAという新しいソフトウェアは、研究者が、回転軸やヒンジなどの部品を持つ複雑な構造を作成するために、DNAの小さな鎖を組み合わせる方法を設計するのに役立つ。

オハイオ州立大学の機械・航空宇宙工学科の准教授であり、研究の共同著者であるCarlos Castroによると、研究者は従来、より遅いツールと手作業のステップに頼っていた。

「しかし、今では、以前数日かかっていたナノデバイスの設計が、数分で完了する」とCastro氏は述べた。

これらの新しい設計は、より複雑で、効率的なナノデバイスを作成する。

Hai-Jun Suは、研究の共同著者であり、オハイオ州立大学の機械・航空宇宙工学科の教授である。

「以前は、6個程度の個別の部品で構成されたデバイスを構築でき、関節やヒンジで接続して複雑な動作を実行しようとしていた」とSu氏は述べた。

「このソフトウェアを使用すると、20個以上の部品で構成されるロボットやデバイスを作成し、より簡単に制御できる。これは、複雑な動作を実行できるナノデバイスを設計する能力における大きな進歩である」とSu氏は述べた。

研究者は、このソフトウェアが、より優れた設計とより役立つナノデバイスを作成するだけでなく、ナノデバイスが日常的に使用されるようになるまでの時間を短縮することも期待している。

新しいアプローチにより、研究者は3Dで設計プロセスを実行できる。以前のツールは2Dで動作し、研究者は創造物を3Dにマッピングする必要があった。これにより、デバイスの複雑さが制限された。

ボトムアップまたはトップダウン

ソフトウェアのもう1つの重要な側面は、研究者がDNA構造を「ボトムアップ」または「トップダウン」で作成できることである。前者では、研究者は個々のDNA鎖を目的の構造に整理し、ローカルデバイス構造と特性を微妙に制御できる。

「トップダウン」アプローチでは、研究者はデバイスの全体的な形状を決定し、DNA鎖の自動化された整理を実行できる。2つの技術を組み合わせることで、全体的な幾何学的形状がより複雑になる一方で、個々の部品の特性を正確に制御できる。

ソフトウェアは、設計されたDNAデバイスが現実世界でどのように動作するかをシミュレートすることもできる。

「これらの構造をより複雑にするにつれて、正確にどのように見え、どのように動作するかを予測することは難しい」とCastro氏は述べた。

「実際に動作するデバイスをシミュレートできることは非常に重要である。そうでないと、多くの時間を浪費することになる」

ナノ構造の作成

Anjelica Kucinicは、研究の共同著者であり、オハイオ州立大学の化学・生物工学科の博士課程の学生である。Kucinicは、ソフトウェアによって設計されたナノ構造の作成と特性評価を担当した。

チームによって作成されたデバイスには、爪を持つロボットアームや、100ナノメートルサイズの飛行機のような構造が含まれる。これは、人間の髪の毛の幅の1000分の1以下のサイズである。

これらのデバイスは、医療分野に大きな影響を与える可能性がある。

「より複雑なデバイスは、単に何か悪いことが起こっていることを検出するだけでなく、薬剤を放出して病原体を捕獲することもできる」とCastro氏は述べた。

「特定の刺激に対して特定の方法で反応したり、特定の方法で動作したりするロボットを設計したい」とCastro氏は述べた。

「DNAナノテクノロジーに対する商業的な関心が高まっており、次の5〜10年でDNAナノデバイスの商業的な応用が始まるだろうと考えている。このソフトウェアがそれを推進するのに役立つと楽観的に考えている」とCastro氏は述べた。