Naukowcy uważają, że pewnego dnia małe roboty oparte na DNA i inne nanourządzenia będą dostarczać lekarstwa do naszych ciał, wykrywać obecność śmiercionośnych patogenów i pomagać w wytwarzaniu coraz mniejszych urządzeń elektronicznych.
Nauka zrobiła duży krok w kierunku tej przyszłości, opracowując nowe narzędzie, które może zaprojektować znacznie bardziej złożone roboty DNA i nanourządzenia, niż było to kiedykolwiek możliwe w ułamku czasu.
W czasopiśmie Nature Materials naukowcy z Ohio State University – pod przewodnictwem byłego doktoranta inżynierii Chao-Min Huanga – ujawnili nowe oprogramowanie, które nazywają MagicDNA.
Oprogramowanie pomaga naukowcom zaprojektować sposoby pobierania małych pasm DNA i łączenia ich w złożone struktury z częściami, takimi jak wirniki i zawiasy, które mogą się poruszać i wykonywać różne zadania, w tym dostarczanie leków.
Naukowcy robią to od wielu lat za pomocą wolniejszych narzędzi i żmudnych ręcznych kroków, powiedział Carlos Castro, współautor badania i profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej i lotniczej w Ohio State.
„Ale teraz nanourządzenia, których zaprojektowanie zajęło nam kilka dni, teraz zajmują nam tylko kilka minut” – powiedział Castro.
„Wcześniej mogliśmy budować urządzenia składające się z maksymalnie sześciu pojedynczych elementów i łączyć je przegubami i zawiasami oraz próbować zmusić je do wykonywania złożonych ruchów” – powiedział współautor badania, Hai-Jun Su, profesor inżynierii mechanicznej i lotniczej w Ohio State.
„Dzięki temu oprogramowaniu nie jest trudno stworzyć roboty lub inne urządzenia składające się z ponad 20 elementów, które są znacznie łatwiejsze do sterowania. To ogromny krok w naszej zdolności do projektowania nanourządzeń, które mogą wykonywać złożone czynności, które chcemy, aby wykonywały. ”.
Oprogramowanie ma wiele zalet, które pomogą projektować lepsze, bardziej pomocne nanourządzenia.
W projektowaniu „od dołu do góry” badacze biorą poszczególne pasma DNA i decydują, jak zorganizować je w żądaną strukturę, co pozwala na precyzyjną kontrolę nad strukturą i właściwościami lokalnego urządzenia.
Ale mogą również przyjąć podejście „odgórne”, w którym decydują, jak ich ogólne urządzenie ma być ukształtowane geometrycznie, a następnie automatyzują sposób, w jaki łączone są nici DNA.
Połączenie tych dwóch elementów pozwala na zwiększenie złożoności ogólnej geometrii przy jednoczesnym zachowaniu precyzyjnej kontroli nad właściwościami poszczególnych elementów – powiedział Castro.
Innym kluczowym elementem oprogramowania jest to, że umożliwia ono symulacje sposobu poruszania się i działania zaprojektowanych urządzeń DNA w rzeczywistym świecie.
Aby zademonstrować możliwości oprogramowania, współautorka Anjelica Kucinic, doktorantka inżynierii chemicznej i biomolekularnej w stanie Ohio, poprowadziła naukowców do stworzenia i scharakteryzowania wielu nanostruktur zaprojektowanych przez oprogramowanie.
Niektóre z urządzeń, które stworzyli, obejmowały ramiona robotów z pazurami, które mogą podnosić mniejsze przedmioty oraz strukturę o wielkości stu nanometrów, która wygląda jak samolot („samolot” jest 1000 razy mniejszy niż szerokość ludzkiego włosa).
Zdolność do tworzenia bardziej złożonych nanourządzeń oznacza, że mogą one robić bardziej użyteczne rzeczy, a nawet wykonywać wiele zadań za pomocą jednego urządzenia – powiedział Castro.
Na przykład jedną rzeczą jest mieć robota DNA, który po wstrzyknięciu do krwiobiegu może wykryć określony patogen.
„Jednak bardziej złożone urządzenie może nie tylko wykryć, że dzieje się coś złego, ale może również zareagować, uwalniając lek lub wychwytując patogen” – powiedział.
„Chcemy mieć możliwość projektowania robotów, które reagują w określony sposób na bodziec lub poruszają się w określony sposób”.
Castro powiedział, że spodziewa się, że przez kilka następnych lat oprogramowanie MagicDNA będzie używane na uniwersytetach i w innych laboratoriach badawczych. Ale jego zastosowanie może się rozszerzyć w przyszłości.
