Nieuwe tool ontwerpt complexe DNA-robots en nanodevices

Een van de meest veelbelovende gebieden op het gebied van robotica zijn kleine op DNA gebaseerde robots en nanodevices, waarvan wetenschappers denken dat ze uiteindelijk in staat zullen zijn om gerichte medicijnen in het menselijk lichaam af te leveren. Ze kunnen ook worden gebruikt om ziekteverwekkers op te sporen en leiden tot de ontwikkeling van kleinere elektronica.

Een recente vooruitgang op dit gebied kwam toen onderzoekers van de Ohio State University een nieuwe tool ontwikkelden waarmee veel complexere DNA-robots en nanodevices kunnen worden ontworpen dan voorheen mogelijk was. Tegelijkertijd kunnen deze complexere systemen in slechts een fractie van de tijd worden ontwikkeld. 

Het onderzoek is vorige maand gepubliceerd in het tijdschrift Natuur materialen, en het werd geleid door voormalig technisch promovendus Chao-Min Huang. 

De nieuwe software, genaamd MagicDNA, helpt onderzoekers bij het ontwerpen van manieren om kleine DNA-strengen te combineren om complexe structuren te creëren met onderdelen zoals rotoren en scharnieren. Deze onderdelen kunnen worden verplaatst en verschillende taken uitvoeren, zoals medicijnafgifte. 

Volgens Carlos Castro, co-auteur van het onderzoek en universitair hoofddocent mechanische en ruimtevaarttechniek aan de universiteit, vertrouwen onderzoekers traditioneel op langzamere tools en handmatige stappen voor deze processen.

"Maar nu kost het ons nu slechts een paar minuten om nano-apparaten te ontwerpen, die ons misschien enkele dagen hebben gekost om te ontwerpen", zei Castro.

Deze nieuwe ontwerpen zijn veel complexer en creëren efficiënte nanodevices.

Hai-Jun Su is een andere co-auteur en hoogleraar mechanische en ruimtevaarttechniek aan de universiteit. 

"Voorheen konden we apparaten bouwen met maximaal zes afzonderlijke componenten en ze verbinden met gewrichten en scharnieren en proberen ze complexe bewegingen te laten uitvoeren", zei Su.

“Met deze software is het niet moeilijk om robots of andere apparaten te maken met meer dan 20 componenten die veel gemakkelijker te bedienen zijn. Het is een enorme stap in ons vermogen om nanodevices te ontwerpen die de complexe acties kunnen uitvoeren die we willen dat ze doen.”

De onderzoekers hopen dat de software niet alleen betere ontwerpen en behulpzamere nanodevices zal creëren, maar ook het tijdsbestek zal versnellen voor wanneer ze alledaagse tools zullen worden. 

De nieuwe aanpak stelt de onderzoekers in staat om het ontwerpproces in 3D uit te voeren. Eerdere tools werkten in 2D, wat betekende dat onderzoekers de creaties in 3D in kaart moesten brengen. Hierdoor werden de apparaten beperkt in hun complexiteit. 

Bottom-up of top-down

Een ander belangrijk aspect van de software is dat het onderzoekers in staat stelt DNA-structuren "bottom-up" of "top-down" te creëren. Met de eerste ordenen onderzoekers individuele DNA-strengen in de gewenste structuur, wat betekent dat ze fijne controle hebben over de lokale structuur en eigenschappen van het apparaat. 

Met de "top-down"-benadering kunnen ze beslissen hoe het totale apparaat geometrisch moet worden gevormd en kunnen ze vervolgens de organisatie van de DNA-strengen automatiseren. Door de twee technieken te combineren, kan de algehele geometrie complexer worden terwijl de precieze controle over de eigenschappen van individuele componenten behouden blijft. 

Met de software kunnen de onderzoekers ook simuleren hoe de ontworpen DNA-apparaten in de echte wereld zouden werken. 

"Naarmate je deze structuren complexer maakt, is het moeilijk om precies te voorspellen hoe ze eruit zullen zien en hoe ze zich zullen gedragen", zei Castro.

“Het is van cruciaal belang om te kunnen simuleren hoe onze apparaten daadwerkelijk zullen werken. Anders verliezen we veel tijd.”

De nanostructuren maken

Anjelica Kucinic is co-auteur en promovendus in chemische en biomoleculaire engineering aan de Ohio State. Kucinic leidde het team van onderzoekers bij het maken en karakteriseren van nanostructuren ontworpen door de software.

De apparaten die door het team zijn gemaakt, omvatten robotarmen met klauwen en een structuur van honderd nanometer die op een vliegtuig lijkt. De laatste is 1000 keer kleiner dan de breedte van een enkele mensenhaar. 

Deze apparaten kunnen grote gevolgen hebben voor de gezondheidszorg. 

"Een complexer apparaat kan niet alleen detecteren dat er iets ergs aan de hand is, maar kan ook reageren door een medicijn af te geven of de ziekteverwekker te vangen", zei Castro.

“We willen robots kunnen ontwerpen die op een bepaalde manier reageren op een prikkel of op een bepaalde manier bewegen.”

"Er komt steeds meer commerciële belangstelling voor DNA-nanotechnologie", vervolgde hij. "Ik denk dat we in de komende vijf tot tien jaar commerciële toepassingen van DNA-nanodevices zullen zien en we zijn optimistisch dat deze software daarbij kan helpen."