Новий інструмент проектування складних ДНК-роботів і нанопрістроїв

Одна з найперспективніших сфер робототехніки пов’язана з малими ДНК-роботами і нанопрістроями, які вчені вважають здатними доставляти цільову медицину в людському організмі. Вони також можуть бути використані для виявлення патогенів і проведення розробки менших електронних пристроїв.

Нещодавнє досягнення в цій сфері відбулося, коли дослідники з Університету штату Огайо розробили новий інструмент, який дозволяє проектувати значно більш складні ДНК-роботи і нанопрістрої, ніж це було раніше можливим. При цьому ці більш складні системи можуть бути розроблені всього за частку часу.

Дослідження було опубліковано минулого місяця в журналі Nature Materials, і воно було проведено колишнім аспірантом-інженером Чао-Міном Хуаном.

Нове програмне забезпечення, яке називається MagicDNA, допомагає дослідникам проектувати способи поєднання малих ланцюгів ДНК для створення складних структур з такими елементами, як ротори і шарніри. Ці елементи можуть рухатися і виконувати різні завдання, такі як доставка ліків.

За словами Карлоса Кастро, співавтора дослідження і доцента механічної та аерокосмічної інженерії в університеті, дослідники традиційно використовували повільні інструменти і ручні кроки для цих процесів.

“Але тепер нанопрістрої, які раніше займали у нас кілька днів для проектування, тепер займають лише кілька хвилин”, – сказав Кастро.

Ці нові конструкції значно більш складні і створюють ефективні нанопрістрої.

Хай-Джун Су – ще один співавтор і професор механічної та аерокосмічної інженерії в університеті.

“Раніше ми могли будувати пристрої з до шести окремих компонентів і з’єднувати їх шарнірами і рухомими частинами, і намагатися зробити їх виконувати складні рухи”, – сказав Су.

“З цим програмним забезпеченням не складно створити роботів або інші пристрої з понад 20 компонентів, які значно легше контролювати. Це величезний крок у нашій здатності проектувати нанопрістрої, які можуть виконувати складні дії, які ми хочемо, щоб вони робили.”

Дослідники сподіваються, що програмне забезпечення не тільки створить кращі конструкції і більш корисні нанопрістрої, але також прискорить термін, протягом якого вони стануть звичайними інструментами.

Новий підхід дозволяє дослідникам проводити процес проектування в 3D. Раніші інструменти працювали в 2D, що означало, що дослідникам доводилося відображати свої творіння в 3D. При цьому пристрої мали обмежену складність.

Знизу вгору або зверху вниз

Іншим ключовим аспектом програмного забезпечення є те, що воно дозволяє дослідникам створювати ДНК-структури “знизу вгору” або “зверху вниз”. З першого підходу дослідники організовують окремі ланцюги ДНК у бажану структуру, що означає, що вони можуть мати тонкий контроль над локальною структурою пристрою і властивостями.

З підходу “зверху вниз” вони можуть вирішити, як загальний пристрій повинен бути сформований геометрично, і вони можуть потім автоматизувати організацію ланцюгів ДНК. Об’єднавши два методи, загальна геометрія може стати більш складною, а при цьому зберігаючи точний контроль над окремими властивостями компонентів.

Програмне забезпечення також дозволяє дослідникам симулювати, як спроектовані ДНК-прістрої будуть працювати в реальному світі.

“Якщо ви робите ці структури більш складними, то важко передбачити точно, як вони будуть виглядати і як вони будуть поводитися”, – сказав Кастро.

“Це критично важливо мати можливість симулювати, як наші пристрої будуть працювати насправді. Інакше ми витрачаємо багато часу.”

Створення наноструктур

Анджеліка Кучинік – співавтор і аспірант хімічної та біомолекулярної інженерії в університеті штату Огайо. Кучинік очолила команду дослідників, які створювали і характеризували наноструктури, спроектовані програмним забезпеченням.

Пристрої, створені командою, включали роботизовані руки з когтями, і структуру розміром сто нанометрів, яка виглядає як літак. Останній у тисячу разів менший за ширину одного людського волосся.

Ці пристрої можуть мати великі наслідки в охороні здоров’я.

“Більш складний пристрій не тільки може виявити, що відбувається щось погане, але також може реагувати на випуск ліків або захоплення патогену”, – сказав Кастро

“Ми хочемо бути能够 проектувати роботів, які реагують певним чином на стимул або рухаються певним чином.”

“Є все більше і більше комерційного інтересу до ДНК-нанотехнологій”, – продовжив він. “Я думаю, що протягом наступних п’яти-десяти років ми почнемо бачити комерційні застосування ДНК-нанопрістроїв, і ми оптимістично ставимося до того, що це програмне забезпечення може допомогти цьому.”