Nieuw hulpmiddel ontwerpt complexe DNA-robots en nanodevices

Een van de meest veelbelovende gebieden van het robotica-veld betreft kleine DNA-gebaseerde robots en nanodevices, die wetenschappers geloven uiteindelijk in staat zullen zijn om gerichte medicijnen in het menselijk lichaam te leveren. Ze kunnen ook worden gebruikt om pathogenen te detecteren en kunnen leiden tot de ontwikkeling van kleinere elektronica.

Een recente vooruitgang in dit gebied kwam toen onderzoekers van The Ohio State University een nieuw hulpmiddel ontwikkelden dat het ontwerp van veel complexere DNA-robots en nanodevices mogelijk maakt dan voorheen. Bovendien kunnen deze complexere systemen in slechts een fractie van de tijd worden ontwikkeld.

Het onderzoek werd vorige maand gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials, en het werd geleid door voormalig 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 met onderdelen zoals rotoren en scharnieren te creëren. Deze onderdelen kunnen bewegen en verschillende taken uitvoeren, zoals medicijnbezorging.

Volgens Carlos Castro, co-auteur van het onderzoek en associate professor in mechanische en lucht- en ruimtevaarttechniek aan de universiteit, hebben onderzoekers traditioneel langzamere hulpmiddelen en handmatige stappen voor deze processen gebruikt.

“Maar nu nemen nanodevices die ons eerder enkele dagen kostten om te ontwerpen, nu slechts enkele minuten”, zei Castro.

Deze nieuwe ontwerpen zijn veel complexer en creëren efficiënte nanodevices.

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

“Vroeger konden we apparaten bouwen met maximaal ongeveer zes afzonderlijke componenten en ze verbinden met gewrichten en scharnieren en proberen complexe bewegingen uit te voeren”, zei Su.

“Met deze software is het niet moeilijk om robots of andere apparaten te maken met twintig componenten of meer die veel gemakkelijker te controleren zijn. Het is een enorme stap in onze mogelijkheid om nanodevices te ontwerpen die de complexe acties kunnen uitvoeren die we van ze verwachten.”

De onderzoekers hopen dat de software niet alleen betere ontwerpen en nuttigere nanodevices zal creëren, maar ook de tijdspanne zal verkorten totdat ze alledaagse hulpmiddelen worden.

De nieuwe aanpak stelt de onderzoekers in staat om het ontwerpproces in 3D uit te voeren. Eerder werkte men in 2D, wat betekende dat onderzoekers hun creaties in 3D moesten omzetten. Door dit te doen waren de apparaten beperkt in complexiteit.

Van onder naar boven of van boven naar onder

Een ander belangrijk aspect van de software is dat het onderzoekers in staat stelt om DNA-structuren “van onder naar boven” of “van boven naar onder” te creëren. Met de eerste benadering organiseren onderzoekers afzonderlijke DNA-strengen in de gewenste structuur, wat betekent dat ze fijne controle hebben over lokale apparaatstructuur en eigenschappen.

Met de “van boven naar onder”-benadering kunnen ze beslissen hoe het totale apparaat geometrisch gevormd moet worden, en ze kunnen dan de organisatie van de DNA-strengen automatiseren. Door de twee technieken te combineren, kan de algehele geometrie complexer worden, terwijl nog steeds nauwkeurige controle wordt gehouden over de eigenschappen van afzonderlijke componenten.

De software stelt de onderzoekers ook in staat om te simuleren hoe de ontworpen DNA-apparaten in de echte wereld zouden functioneren.

“Naarmate deze structuren complexer worden, is het moeilijk om precies te voorspellen hoe ze eruit zullen zien en hoe ze zullen functioneren”, zei Castro.

“Het is cruciaal om te kunnen simuleren hoe onze apparaten daadwerkelijk zullen functioneren. Anders verspillen we veel tijd.”

Het creëren van nanostructuren

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

De apparaten die door het team zijn gemaakt, omvatten robotarmen met klauwen en een honderd nanometer-grote structuur die op een vliegtuig lijkt. Laatstgenoemde is 1000 keer kleiner dan de breedte van een enkel menselijk haar.

Deze apparaten kunnen grote implicaties hebben in de gezondheidszorg.

“Een complexer apparaat kan niet alleen detecteren dat er iets mis is, maar kan ook reageren door een medicijn vrij te geven of een pathogeen te vangen”, zei Castro.

“We willen in staat zijn om robots te ontwerpen die op een bepaalde manier reageren op een stimulus of op een bepaalde manier bewegen.”

“Er is steeds meer commercieel interesse in 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 kan helpen om dat te stimuleren.”