Unelte noi de proiectare a robotilor si dispozitivelor nanometrice complexe pe baza de ADN

Una dintre cele mai promițătoare domenii ale roboticii implică roboți și dispozitive nanometrice pe bază de ADN, pe care oamenii de știință cred că vor fi în cele din urmă capabili să livreze medicamente țintite în corpul uman. Ei ar putea fi, de asemenea, utilizați pentru a detecta agenți patogeni și pentru a conduce la dezvoltarea unor electronice mai mici.

O realizare recentă în acest domeniu a fost atinsă atunci când cercetătorii de la Universitatea de Stat Ohio au dezvoltat un nou instrument care permite proiectarea unor roboți și dispozitive nanometrice pe bază de ADN mult mai complexe decât cele care erau posibile anterior. În același timp, aceste sisteme mai complexe pot fi dezvoltate în doar o fracțiune din timp.

Cercetarea a fost publicată luna trecută în revista Nature Materials, și a fost condusă de fostul student doctoral în inginerie Chao-Min Huang.

Noul software, numit MagicDNA, ajută cercetătorii să proiecteze moduri de combinare a lanțurilor mici de ADN pentru a crea structuri complexe cu părți precum rotoare și balamale. Aceste părți pot mișca și completa diverse sarcini, cum ar fi livrarea de medicamente.

Conform lui Carlos Castro, coautor al cercetării și profesor asociat de inginerie mecanică și aerospațială la universitate, cercetătorii s-au bazat în mod tradițional pe instrumente mai lente și pași manuali pentru aceste procese.

“Dar acum, dispozitivele nanometrice care ne-ar fi luat câteva zile pentru a le proiecta anterior, ne iau doar câteva minute”, a spus Castro.

Aceste noi proiecte sunt mult mai complexe și creează dispozitive nanometrice eficiente.

Hai-Jun Su este un alt coautor și profesor de inginerie mecanică și aerospațială la universitate.

“Anterior, am putut construi dispozitive cu până la aproximativ șase componente individuale și le-am conectat cu articulații și balamale și am încercat să le facem să execute mișcări complexe”, a spus Su.

“Cu acest software, nu este greu să creăm roboți sau alte dispozitive cu până la 20 de componente care sunt mult mai ușor de controlat. Este un pas uriaș în capacitatea noastră de a proiecta dispozitive nanometrice care pot efectua acțiunile complexe pe care le dorim să le facă.”

Cercetătorii speră că software-ul nu numai că va crea proiecte mai bune și dispozitive nanometrice mai utile, dar va accelera și timpul necesar pentru ca acestea să devină instrumente de uz curent.

Noua abordare permite cercetătorilor să efectueze procesul de proiectare în 3D. Instrumentele anterioare funcționau în 2D, ceea ce însemna că cercetătorii trebuiau să mapeze creațiile în 3D. Prin aceasta, dispozitivele erau limitate în complexitatea lor.

Sus în jos sau Jos în sus

O altă caracteristică cheie a software-ului este că permite cercetătorilor să creeze structuri de ADN “de sus în jos” sau “de jos în sus”. Cu prima abordare, cercetătorii organizează lanțurile individuale de ADN în structura dorită, ceea ce înseamnă că pot avea control fin asupra structurii și proprietăților dispozitivului local.

Cu abordarea “de sus în jos”, pot decide cum trebuie să fie modelat dispozitivul în general, și pot apoi automatiza organizarea lanțurilor de ADN. Prin combinarea celor două tehnici, geometria generală poate deveni mai complexă, menținând în același timp controlul precis asupra proprietăților componentelor individuale.

Software-ul permite, de asemenea, cercetătorilor să simuleze modul în care dispozitivele de ADN proiectate ar funcționa în lumea reală.

“Pe măsură ce facem aceste structuri mai complexe, este dificil să prezicem exact cum vor arăta și cum se vor comporta”, a spus Castro.

“Este critic să putem simula cum vor funcționa dispozitivele noastre. Altfel, vom pierde mult timp.”

Creatia nanostructurilor

Anjelica Kucinic este coautor și student doctoral în inginerie chimică și biochimică la Ohio State. Kucinic a condus echipa de cercetători în crearea și caracterizarea nanostructurilor proiectate de software.

Dispozitivele create de echipă au inclus brațe de robot cu gheare și o structură de 100 de nanometri care seamănă cu un avion. Ultimul este de 1000 de ori mai mic decât lățimea unui singur fir de păr.

Aceste dispozitive ar putea avea implicații majore în domeniul sănătății.

“Un dispozitiv mai complex nu numai că poate detecta că ceva rău se întâmplă, dar poate reacționa, de asemenea, prin eliberarea unui medicament sau prin capturarea agentului patogen”, a spus Castro.

“Vrem să putem proiecta roboți care să răspundă într-un anumit mod la un stimul sau să se miște într-un anumit mod.”

“Există o interes comercial din ce în ce mai mare pentru tehnologia nanometrică pe bază de ADN”, a continuat el. “Cred că în următorii cinci până la 10 ani vom începe să vedem aplicații comerciale ale dispozitivelor nanometrice pe bază de ADN și suntem optimiști că acest software poate ajuta la dezvoltarea acestora.”