Nytt verktøy designer komplekse DNA-roboter og nanodevices

En av de mest lovende områdene innen robotikkfeltet involverer små DNA-baserte roboter og nanodevices, som forskerne tror vil kunne levere målrettede medisiner i menneskekroppen. De kan også brukes til å detektere patogener og føre til utvikling av mindre elektronikk.

En nylig fremgang i dette området kom da forskere fra The Ohio State University utviklet et nytt verktøy som muliggjør design av langt mer komplekse DNA-roboter og nanodevices enn hva som tidligere var mulig. Samtidig kan disse mer komplekse systemene utvikles på bare en brøkdel av tiden.

Forskningen ble publisert forrige måned i tidsskriftet Nature Materials, og det ble ledet av tidligere ingeniør-doktorand Chao-Min Huang.

Det nye programvaren, kalt MagicDNA, hjelper forskerne med å designe måter å kombinere små DNA-strenger for å skape komplekse strukturer med deler som rotor og henger. Disse delene kan bevege seg og fullføre ulike oppgaver, som å levere medisiner.

Ifølge Carlos Castro, medforfatter av forskningen og associate professor i mekanisk og romfartsingeniør ved universitetet, har forskerne tradisjonelt avhengig av langsommere verktøy og manuelle skritt for disse prosessene.

“Men nå, nanodevices som måtte ha tatt oss flere dager å designe før, tar nå bare noen minutter,” sa Castro.

Disse nye designene er langt mer komplekse og skaper effektive nanodevices.

Hai-Jun Su er en annen medforfatter og professor i mekanisk og romfartsingeniør ved universitetet.

“Tidligere kunne vi bygge enheter med opptil seks enkeltkomponenter og koble dem sammen med ledd og henger og prøve å få dem til å utføre komplekse bevegelser,” sa Su.

“Med denne programvaren, er det ikke vanskelig å lage roboter eller andre enheter med opp til 20 komponenter som er mye enklere å kontrollere. Det er et stort skritt i vår evne til å designe nanodevices som kan utføre de komplekse handlingene vi ønsker dem å gjøre.”

Forskerne håper at programvaren ikke bare vil skape bedre design og mer nyttige nanodevices, men også forkorte tidsrammen for når de vil bli hverdagsverktøy.

Den nye tilnærmingen muliggjør at forskerne kan utføre designprosessen i 3D. Tidligere verktøy arbeidet i 2D, som betydde at forskerne måtte kartlegge skapningene i 3D. Ved å gjøre dette, var enhetene begrenset i kompleksitet.

Bunn opp eller topp ned

En annen viktig del av programvaren er at den muliggjør at forskerne kan skape DNA-strukturer “bunn opp” eller “topp ned”. Med den førstnevnte, organiserer forskerne enkelt DNA-strenger i den ønskede strukturen, noe som betyr at de kan ha fin kontroll over lokale enhetsstruktur og egenskaper.

Med “topp ned”-tilnærmingen, kan de bestemme hvordan den totale enheten må formas geometrisk, og de kan deretter automatisere organiseringen av DNA-strengene. Ved å kombinere de to teknikker, kan den totale geometrien bli mer kompleks samtidig som man beholder presis kontroll over enkeltkomponentegenskaper.

Programvaren lar også forskerne simulere hvordan de designede DNA-enhetene ville fungere i den virkelige verden.

“Når du gjør disse strukturene mer komplekse, er det vanskelig å forutsi nøyaktig hvordan de vil se ut og hvordan de vil oppføre seg,” sa Castro.

“Det er kritisk å kunne simulere hvordan våre enheter faktisk vil fungere. Ellers spiller vi mye tid.”

Skaping av nanostrukturer

Anjelica Kucinic er medforfatter og doktorand i kjemisk og biomolekylær ingeniør ved Ohio State. Kucinic ledet teamet av forskere i å lage og karakterisere nanostrukturer designet av programvaren.

Enhetene som ble skapt av teamet inkluderte robot-armer med kloer, og en struktur på 100 nanometer som ligner et fly. Den sistnevnte er 1000 ganger mindre enn bredden av et enkelt menneskehår.

Disse enhetene kan vise seg å ha store implikasjoner for helsevesenet.

“En mer kompleks enhet kan ikke bare detektere at noe dårlig skjer, men kan også reagere ved å frigjøre en medisin eller fange patogenen,” sa Castro

“Vi ønsker å kunne designe roboter som reagerer på en bestemt måte på en stimulus eller beveger seg på en bestemt måte.”

“Det er stadig mer kommersiell interesse for DNA-nanoteknologi,” fortsatte han. “Jeg tror at i løpet av de neste fem til ti årene vil vi begynne å se kommersielle anvendelser av DNA-nanodevices, og vi er optimistiske om at denne programvaren kan hjelpe å drive det.”