Nytt verktyg designar komplexa DNA-robotar och nanodevices

En av de mest lovande områdena inom robotikområdet involverar små DNA-baserade robotar och nanodevices, som forskare tror kommer att kunna leverera riktad medicin i den mänskliga kroppen. De kan också användas för att upptäcka patogener och leda till utvecklingen av mindre elektronik.

En nylig framsteg inom detta område kom när forskare från The Ohio State University utvecklade ett nytt verktyg som möjliggör designen av betydligt mer komplexa DNA-robotar och nanodevices än vad som tidigare var möjligt. Samtidigt kan dessa mer komplexa system utvecklas på bara en bråkdel av den tid det tidigare tog.

Forskningen publicerades förra månaden i tidskriften Nature Materials, och den leddes av före detta doktorand i teknisk vetenskap Chao-Min Huang.

Den nya programvaran, som kallas MagicDNA, hjälper forskare att designa sätt att kombinera små DNA-strängar för att skapa komplexa strukturer med delar som rotor och gångjärn. Dessa delar kan röra sig och utföra olika uppgifter, såsom läkemedelsleverans.

Enligt Carlos Castro, medförfattare till forskningen och biträdande professor i mekanisk och rymdteknik vid universitetet, har forskare traditionellt använt sig av långsammare verktyg och manuella steg för dessa processer.

“Men nu kan nanodevices som tidigare tog oss flera dagar att designa nu tas fram på bara några minuter”, sa Castro.

Dessa nya designerna är betydligt mer komplexa och skapar effektiva nanodevices.

Hai-Jun Su är en annan medförfattare och professor i mekanisk och rymdteknik vid universitetet.

“Tidigare kunde vi bygga enheter med upp till sex enskilda komponenter och ansluta dem med leder och gångjärn och försöka göra dem utföra komplexa rörelser”, sa Su.

“Med denna programvara är det inte svårt att skapa robotar eller andra enheter med upp till 20 komponenter som är mycket lättare att kontrollera. Det är ett stort steg i vår förmåga att designa nanodevices som kan utföra de komplexa handlingar vi vill att de ska göra.”

Forskarna hoppas att programvaran inte bara kommer att skapa bättre design och mer hjälpsamma nanodevices, utan också kommer att påskynda tidsramen för när de kommer att bli vardagliga verktyg.

Den nya metoden möjliggör för forskarna att utföra designprocessen i 3D. Tidigare verktyg fungerade i 2D, vilket innebar att forskarna måste mappa skapelsen till 3D. Genom att göra detta var enheterna begränsade i sin komplexitet.

Bottom Up eller Top Down

En annan viktig aspekt av programvaran är att den möjliggör för forskare att skapa DNA-strukturer “bottom up” eller “top down”. Med den förra organiserar forskarna enskilda DNA-strängar i den önskade strukturen, vilket innebär att de kan ha fin kontroll över lokal enhetsstruktur och egenskaper.

Med “top down”-metoden kan de bestämma hur den övergripande enheten behöver formas geometriskt, och de kan sedan automatisera organiseringen av DNA-strängarna. Genom att kombinera de två teknikerna kan den övergripande geometrin bli mer komplex samtidigt som de fortfarande har exakt kontroll över enskilda komponentegenskaper.

Programvaran möjliggör också för forskarna att simulera hur de designade DNA-enheterna skulle fungera i den verkliga världen.

“När vi gör dessa strukturer mer komplexa är det svårt att förutsäga exakt hur de kommer att se ut och hur de kommer att bete sig”, sa Castro.

“Det är kritiskt att kunna simulera hur våra enheter kommer att fungera i verkligheten. Annars slösar vi bort mycket tid.”

Skapandet av nanostukturer

Anjelica Kucinic är medförfattare och doktorand i kemisk och biomedicinsk teknik vid Ohio State. Kucinic ledde teamet av forskare i att skapa och karakterisera nanostrukturer som designats av programvaran.

Enheterna som skapades av teamet inkluderade robotarmar med klor och en struktur som är 100 nanometer stor och ser ut som ett flygplan. Den senare är 1000 gånger mindre än bredden på ett enda mänskligt hår.

Dessa enheter kan ha stor betydelse inom hälso- och sjukvården.

“En mer komplex enhet kan inte bara upptäcka att något dåligt händer, utan kan också reagera genom att släppa ut ett läkemedel eller fånga patogenen”, sa Castro.

“Vi vill kunna designa robotar som svarar på ett visst sätt på en stimulus eller rör sig på ett visst sätt.”

“Det finns en alltmer ökande kommersiell intresse för DNA-nanoteknik”, fortsatte han. “Jag tror att inom de närmaste fem till tio åren kommer vi att börja se kommersiella tillämpningar av DNA-nanodevices och vi är optimistiska om att denna programvara kan hjälpa till att driva det.”