Новый инструмент проектирует сложные ДНК-роботы и наноустройства

Одним из наиболее перспективных направлений в области робототехники являются крошечные ДНК-роботы и наноустройства, которые, по мнению ученых, в конечном итоге смогут доставлять целевые лекарства в человеческом теле. Они также могут быть использованы для обнаружения патогенов и привести к разработке более мелкой электроники.

Недавний прорыв в этой области произошел, когда исследователи из Университета штата Огайо разработали новый инструмент, который позволяет проектировать намного более сложные ДНК-роботы и наноустройства, чем было возможно ранее. При этом эти более сложные системы могут быть разработаны всего за долю времени.

Исследование было опубликовано в прошлом месяце в журнале Nature Materials, и оно было возглавлено бывшим аспирантом-инженером Чао-Мином Хуаном.

Новое программное обеспечение, называемое MagicDNA, помогает исследователям проектировать способы объединения крошечных участков ДНК для создания сложных структур с элементами, такими как роторы и шарниры. Эти элементы могут двигаться и выполнять различные задачи, такие как доставка лекарств.

По словам Карлоса Кастро, соавтора исследования и доцента кафедры механики и аэрокосмической инженерии в университете, исследователи традиционно полагались на более медленные инструменты и ручные шаги для этих процессов.

“Но теперь наноустройства, которые могли занять у нас несколько дней на проектирование ранее, теперь занимают всего несколько минут”, – сказал Кастро.

Эти новые конструкции намного более сложны и создают эффективные наноустройства.

Хай-Джун Су – еще один соавтор и профессор кафедры механики и аэрокосмической инженерии в университете.

“Ранее мы могли строить устройства с до шести отдельных компонентов и соединять их с помощью шарниров и пылесосов, и пытаться заставить их выполнять сложные движения”, – сказал Су.

“С помощью этого программного обеспечения несложно создавать роботов или другие устройства с более чем 20 компонентами, которые намного легче контролировать. Это огромный шаг в нашей способности проектировать наноустройства, которые могут выполнять сложные действия, которые мы хотим, чтобы они делали”.

Исследователи надеются, что программное обеспечение не только создаст лучшие конструкции и более полезные наноустройства, но также ускорит сроки, когда они станут повседневными инструментами.

Новый подход позволяет исследователям проводить процесс проектирования в 3D. Ранее инструменты работали в 2D, что означало, что исследователям приходилось отображать создания в 3D. При этом устройства были ограничены по сложности.

Снизу вверх или сверху вниз

Другой важный аспект программного обеспечения заключается в том, что оно позволяет исследователям создавать ДНК-структуры “снизу вверх” или “сверху вниз”. С помощью первого подхода исследователи организуют отдельные участки ДНК в желаемую структуру, что означает, что они могут иметь точный контроль над локальной структурой устройства и свойствами.

С помощью подхода “сверху вниз” они могут решить, как общее устройство должно быть сформировано геометрически, и затем автоматизировать организацию участков ДНК. Объединив оба метода, общая геометрия может стать более сложной, сохраняя при этом точный контроль над свойствами отдельных компонентов.

Программное обеспечение также позволяет исследователям模улировать, как спроектированные ДНК-устройства будут работать в реальном мире.

“Когда вы делаете эти структуры более сложными, трудно предсказать точно, как они будут выглядеть и как они будут вести себя”, – сказал Кастро.

“Это крайне важно иметь возможность模улировать, как наши устройства будут работать на самом деле. В противном случае мы тратим много времени.”

Создание наноструктур

Анджелика Кучиник – соавтор и аспирант кафедры химической и биомолекулярной инженерии в Университете штата Огайо. Кучиник возглавляла команду исследователей в создании и характеристике наноструктур, спроектированных с помощью программного обеспечения.

Устройства, созданные командой, включали роботизированные руки с когтями и структуру размером 100 нанометров, похожую на самолет. Последняя в 1000 раз меньше ширины человеческого волоса.

Эти устройства могут иметь большое значение в здравоохранении.

“Более сложное устройство не только может обнаружить, что происходит что-то плохое, но также может отреагировать, выпустив лекарство или захватив патоген”, – сказал Кастро.

“Мы хотим быть в состоянии проектировать роботов, которые реагируют определенным образом на стимул или движутся определенным образом.”

“Все больше и больше коммерческого интереса к ДНК-нанотехнологиям”, – продолжил он. “Я думаю, что в течение следующих пяти-десяти лет мы начнем видеть коммерческие применения ДНК-наноустройств, и мы оптимистично настроены, что это программное обеспечение может помочь стимулировать это.”