Nowe narzędzie projektuje złożone roboty DNA i nanourządzenia

Jeden z najbardziej obiecujących obszarów robotyki obejmuje maleńkie roboty i nanourządzenia oparte na DNA, które według naukowców ostatecznie będą w stanie dostarczać ukierunkowane leki do organizmu ludzkiego. Można je również wykorzystać do wykrywania patogenów i przyczynić się do opracowania mniejszej elektroniki.

Niedawny postęp w tej dziedzinie nastąpił, gdy naukowcy z Uniwersytetu Stanowego Ohio opracowali nowe narzędzie, które umożliwia projektowanie znacznie bardziej złożonych robotów i nanourządzeń DNA niż było to wcześniej możliwe. Jednocześnie bardziej złożone systemy można opracować w ułamku czasu. 

Wyniki badania opublikowano w zeszłym miesiącu w czasopiśmie Materiały przyrodnicze, a kierował nim były doktorant inżynierii Chao-Min Huang. 

Nowe oprogramowanie o nazwie MagicDNA pomaga badaczom projektować sposoby łączenia drobnych nici DNA w celu tworzenia złożonych struktur z częściami takimi jak wirniki i zawiasy. Części te mogą się poruszać i wykonywać różne zadania, takie jak dostarczanie leków. 

Według Carlosa Castro, współautora badań i profesora nadzwyczajnego inżynierii mechanicznej i lotniczej na uniwersytecie, badacze tradycyjnie polegali na wolniejszych narzędziach i ręcznych etapach tych procesów.

„Ale teraz nanourządzenia, których projektowanie zajmowało nam wcześniej kilka dni, teraz zajmują nam zaledwie kilka minut” – powiedział Castro.

Te nowe projekty są znacznie bardziej złożone i pozwalają na utworzenie wydajnych nanourządzeń.

Hai-Jun Su jest kolejnym współautorem i profesorem inżynierii mechanicznej i lotniczej na uniwersytecie. 

„Wcześniej mogliśmy budować urządzenia składające się z maksymalnie sześciu pojedynczych komponentów, łączyć je za pomocą przegubów i zawiasów i próbować zmusić je do wykonywania skomplikowanych ruchów” – powiedział Su.

„Dzięki temu oprogramowaniu nie jest trudno stworzyć roboty lub inne urządzenia składające się z ponad 20 komponentów, które są znacznie łatwiejsze w sterowaniu. To ogromny krok w naszej zdolności do projektowania nanourządzeń, które będą w stanie wykonywać złożone działania, jakich od nich oczekujemy”.

Naukowcy mają nadzieję, że oprogramowanie nie tylko umożliwi tworzenie lepszych projektów i bardziej przydatnych nanourządzeń, ale także skróci czas, w którym staną się one narzędziami codziennego użytku. 

Nowe podejście umożliwia badaczom przeprowadzenie procesu projektowania w 3D. Wcześniejsze narzędzia działały w 2D, co oznaczało, że badacze musieli odwzorować dzieła w 3D. W ten sposób ograniczono złożoność urządzeń. 

Od dołu do góry lub od góry do dołu

Innym kluczowym aspektem oprogramowania jest to, że umożliwia badaczom tworzenie struktur DNA „od dołu do góry” lub „od góry do dołu”. W pierwszym przypadku badacze organizują pojedyncze nici DNA w pożądaną strukturę, co oznacza, że ​​mogą mieć precyzyjną kontrolę nad lokalną strukturą i właściwościami urządzenia. 

Dzięki podejściu „z góry na dół” mogą zdecydować, w jaki sposób całe urządzenie ma mieć geometryczny kształt, a następnie zautomatyzować organizację nici DNA. Łącząc te dwie techniki, ogólna geometria może stać się bardziej złożona, zachowując jednocześnie precyzyjną kontrolę nad właściwościami poszczególnych komponentów. 

Oprogramowanie umożliwia także badaczom symulację działania zaprojektowanych urządzeń DNA w świecie rzeczywistym. 

„W miarę zwiększania się złożoności tych struktur trudno jest dokładnie przewidzieć, jak będą wyglądać i jak się zachowają” – powiedział Castro.

„Kluczowa jest możliwość symulacji rzeczywistego działania naszych urządzeń. W przeciwnym razie stracimy mnóstwo czasu.”

Tworzenie nanostruktur

Anjelica Kucinic jest współautorką i doktorantką w dziedzinie inżynierii chemicznej i biomolekularnej w Ohio State. Kucinic kierował zespołem badaczy podczas tworzenia i charakteryzowania nanostruktur zaprojektowanych za pomocą oprogramowania.

Urządzenia stworzone przez zespół obejmowały ramiona robota z pazurami i konstrukcję o rozmiarach stu nanometrów, która wygląda jak samolot. Ten ostatni jest 1000 razy mniejszy niż szerokość pojedynczego ludzkiego włosa. 

Urządzenia te mogą okazać się mieć duże implikacje w opiece zdrowotnej. 

„Bardziej złożone urządzenie może nie tylko wykryć, że dzieje się coś złego, ale może również zareagować, uwalniając lek lub wychwytując patogen” – powiedział Castro

„Chcemy móc projektować roboty, które reagują w określony sposób na bodziec lub poruszają się w określony sposób”.

„Zainteresowanie komercyjne nanotechnologią DNA staje się coraz większe” – kontynuował. „Myślę, że w ciągu najbliższych pięciu do dziesięciu lat zaczniemy widzieć komercyjne zastosowania nanourządzeń DNA i jesteśmy optymistami, że to oprogramowanie może w tym pomóc”.