Nova Ferramenta de Design de Robôs e Nanodispositivos de DNA Complexos

Uma das áreas mais promissoras do campo da robótica envolve robôs e nanodispositivos baseados em DNA, que os cientistas acreditam que eventualmente serão capazes de entregar medicamentos direcionados no corpo humano. Eles também podem ser usados para detectar patógenos e levar ao desenvolvimento de eletrônicos menores.

Um avanço recente nessa área ocorreu quando pesquisadores da Universidade Estadual de Ohio desenvolveram uma nova ferramenta que permite o design de robôs e nanodispositivos de DNA muito mais complexos do que os anteriormente possíveis. Ao mesmo tempo, esses sistemas mais complexos podem ser desenvolvidos em apenas uma fração do tempo.

A pesquisa foi publicada no mês passado na revista Nature Materials, e foi liderada pelo ex-aluno de doutorado em engenharia Chao-Min Huang.

O novo software, chamado MagicDNA, ajuda os pesquisadores a projetar maneiras de combinar pequenas cadeias de DNA para criar estruturas complexas com partes como rotores e dobradiças. Essas partes podem se mover e realizar tarefas diferentes, como a entrega de medicamentos.

De acordo com Carlos Castro, coautor da pesquisa e professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial da universidade, os pesquisadores tradicionalmente confiavam em ferramentas mais lentas e etapas manuais para esses processos.

“Mas agora, nanodispositivos que podem ter levado vários dias para projetar antes agora levam apenas alguns minutos”, disse Castro.

Esses novos projetos são muito mais complexos e criam nanodispositivos eficientes.

Hai-Jun Su é outro coautor e professor de engenharia mecânica e aeroespacial da universidade.

“Anteriormente, podíamos construir dispositivos com até seis componentes individuais e conectá-los com juntas e dobradiças e tentar fazer com que executem movimentos complexos”, disse Su.

“Com esse software, não é difícil criar robôs ou outros dispositivos com mais de 20 componentes que são muito mais fáceis de controlar. É um grande passo em nossa capacidade de projetar nanodispositivos que possam realizar as ações complexas que desejamos que eles façam.”

Os pesquisadores esperam que o software não apenas crie projetos melhores e nanodispositivos mais úteis, mas também acelere o prazo para quando eles se tornarão ferramentas comuns.

A nova abordagem permite que os pesquisadores realizem o processo de design em 3D. As ferramentas anteriores funcionavam em 2D, o que significava que os pesquisadores tinham que mapear as criações em 3D. Ao fazer isso, os dispositivos eram limitados em sua complexidade.

De Baixo para Cima ou de Cima para Baixo

Outro aspecto importante do software é que ele permite que os pesquisadores criem estruturas de DNA “de baixo para cima” ou “de cima para baixo”. Com o primeiro, os pesquisadores organizam cadeias individuais de DNA na estrutura desejada, o que significa que eles podem ter controle fino sobre a estrutura e propriedades locais do dispositivo.

Com a abordagem “de cima para baixo”, eles podem decidir como o dispositivo geral precisa ser moldado geometricamente, e então automatizar a organização das cadeias de DNA. Ao combinar as duas técnicas, a geometria geral pode se tornar mais complexa, mantendo ainda o controle preciso sobre as propriedades dos componentes individuais.

O software também permite que os pesquisadores simulem como os dispositivos de DNA projetados funcionariam no mundo real.

“À medida que tornamos essas estruturas mais complexas, é difícil prever exatamente como elas irão se comportar”, disse Castro.

“É fundamental ser capaz de simular como nossos dispositivos irão funcionar na realidade. Caso contrário, desperdiçamos muito tempo.”

Criando as Nanoestruturas

Anjelica Kucinic é coautora e aluna de doutorado em engenharia química e biomolecular da Universidade Estadual de Ohio. Kucinic liderou a equipe de pesquisadores na criação e caracterização de nanoestruturas projetadas pelo software.

Os dispositivos criados pela equipe incluíam braços de robô com garras e uma estrutura de 100 nanômetros que se assemelha a um avião. Esta última é 1000 vezes menor que a largura de um único cabelo humano.

Esses dispositivos podem ter grandes implicações na área de saúde.

“Um dispositivo mais complexo pode não apenas detectar que algo ruim está acontecendo, mas também reagir liberando um medicamento ou capturando o patógeno”, disse Castro.

“Queremos ser capazes de projetar robôs que respondam de uma maneira particular a um estímulo ou se movam de uma certa maneira.”

“Está havendo cada vez mais interesse comercial em nanotecnologia de DNA”, continuou. “Acho que nos próximos cinco a 10 anos começaremos a ver aplicações comerciais de nanodispositivos de DNA e somos otimistas de que esse software possa ajudar a impulsionar isso.”