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有望な分野の1つは、DNAベースの小さな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人間の体内で標的を特定して薬を投与することができるようになることを信じている。
これらは、病原体を検出するために使用される可能性もあり、より小さな電子機器の開発につながる可能性もある。
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。
同時に、これらのより複雑なシステムは、以前よりもはるかに短い時間で開発されることができる。
この研究は、先月、Nature Materialsに掲載され、元の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、研究者が小さなDNA鎖を組み合わせて、ローターとヒンジなどの部品を持つ複雑な構造を作成する方法を設計するのに役立つ。
これらの部品は動き、薬の投与などのさまざまなタスクを実行することができる。
大学の機械および航空宇宙工学の准教授であり、研究の共著者であるCarlos Castroによると、研究者は従来、より遅いツールと手動のステップに頼っていた。
「しかし、今では、以前では数日かかったナノデバイスの設計が、数分で完了する」とCastroは述べた。
これらの新しい設計は、はるかに複雑で、効率的なナノデバイスを作成する。
Hai-Jun Suは、大学の機械および航空宇宙工学の教授であり、もう1人の共著者である。
「以前は、約6個の個別のコンポーネントを持つデバイスを構築でき、ジョイントとヒンジで接続して複雑な動きを実行しようとしました」とSuは述べた。
「このソフトウェアでは、20個を超えるコンポーネントを持つロボットやデバイスを作成することは簡単であり、制御も容易である。これは、私たちが行いたい複雑な動き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」
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のツール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、研究者は設計プロセスを3Dで実行できる。以前のツールは2Dで動作していたため、研究者は創造物を3Dにマッピングする必要があり、デバイスの複雑さが制限されていた。

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鎖を望ましい構造に整理し、ローカルデバイスの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鎖の整理を自動化できる。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をより複雑にし、同時に個々のコンポーネントの特性を正確に制御できる。
ソフトウェアでは、設計されたDNAデバイスが実際の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は述べた。
「実際にどのように動作するか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、多くの時間を無駄にすることになる」

ナノ構造の作成

Anjelica Kucinicは、共著者であり、オハイオ州立大学の化学および生物分子工学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主導した。
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、単一の人間の毛の幅の1000分の1の大きさである、飛行機のような構造が含まれる。
これらのデバイスは、医療における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、薬を投与したり、病原体を捕獲したりすることもできる」とCastroは述べた。
「私たちは、特定の方法で刺激に反応したり、特定の方法で動いたりするロボットを設計したい」と彼は続けた。
「DNAナノテクノロジーに対する商業的な関心が増している」と彼は続けた。「私たちは、次の5〜10年で、DNAナノデバイスの商業的な応用が現れることになるだろうと考えている。このソフトウェアがそれを促進する手助けになることを期待している」