Nieuw ontwerp van hulpmiddelen voor 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 op 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. Tegelijkertijd 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 te creëren met onderdelen zoals rotoren en scharnieren. Deze onderdelen kunnen bewegen en verschillende taken uitvoeren, zoals het afleveren van medicijnen.

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

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

Deze nieuwe ontwerpen zijn veel complexer en creëren efficiënte nanodevices.

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

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

“Met deze software is het geen probleem om robots of andere apparaten te maken met meer dan 20 componenten 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 willen dat ze doen.”

De onderzoekers hopen dat de software niet alleen betere ontwerpen en nuttigere nanodevices zal creëren, maar ook de tijdlijn zal versnellen voor wanneer ze alledaagse hulpmiddelen zullen worden.

De nieuwe aanpak stelt de onderzoekers in staat om het ontwerpproces in 3D uit te voeren. Eerder werkten hulpmiddelen in 2D, wat betekende dat onderzoekers hun creaties in 3D moesten omzetten. Door dit te doen, waren de apparaten beperkt in hun 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 het eerste organiseren onderzoekers individuele DNA-strengen in de gewenste structuur, wat betekent dat ze fijne controle hebben over de lokale apparaatstructuur en eigenschappen.

Met de “van boven naar onder”-aanpak kunnen ze beslissen hoe het algehele 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 over de eigenschappen van individuele componenten wordt behouden.

De software stelt onderzoekers ook in staat om te simuleren hoe de ontworpen DNA-apparaten in de echte wereld zullen 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 bio-moleculaire techniek aan Ohio State. Kucinic leidde het team van onderzoekers bij het maken en karakteriseren van nanostructuren die zijn ontworpen met de software.

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

Deze apparaten kunnen grote gevolgen hebben voor de gezondheidszorg.

“Een complexer apparaat kan niet alleen detecteren dat er iets slechts gebeurt, maar kan ook reageren door een medicijn af te geven of het 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 een groeiende commerciële 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.”