Исследователи сделали большой шаг к этому будущему, разработав новый инструмент, который может создавать гораздо более сложные ДНК-роботы и наноустройства, чем когда-либо были возможны раньше, за долю времени.
В статье, опубликованной сегодня (19 апреля 2021 г.) в журнале Nature Materials, исследователи из Университета штата Огайо во главе с бывшим докторантом инженерного дела Чао-Минь Хуангом представили новое программное обеспечение, которое они назвали MagicDNA.
Программное обеспечение помогает исследователям разрабатывать способы получения крошечных нитей ДНК и объединения их в сложные структуры с такими частями, как роторы и шарниры, которые могут перемещаться и выполнять различные задачи, включая доставку лекарств.
По словам Карлоса Кастро, соавтора исследования и доцента кафедры машиностроения и аэрокосмической техники в штате Огайо, исследователи уже несколько лет делают это с помощью более медленных инструментов с утомительными ручными шагами.
«Но теперь наноустройства, на проектирование которых раньше у нас уходило несколько дней, теперь занимают всего несколько минут», – сказал Кастро.
И теперь исследователи могут создавать гораздо более сложные и полезные наноустройства.
«Раньше мы могли создавать устройства, состоящие примерно из шести отдельных компонентов, соединять их с помощью шарниров и шарниров и пытаться заставить их выполнять сложные движения», – сказал соавтор исследования Хай-Джун Су, профессор механической и аэрокосмической техники в штате Огайо.
"С помощью этого программного обеспечения нетрудно сделать роботов или другие устройства, содержащие более 20 компонентов, которыми намного легче управлять. Это огромный шаг в нашей способности разрабатывать наноустройства, которые могут выполнять те сложные действия, которые мы хотим от них."
Программное обеспечение имеет ряд преимуществ, которые помогут ученым разрабатывать более совершенные и полезные наноустройства и, как надеются исследователи, сократить время до их повседневного использования.
Одно из преимуществ состоит в том, что он позволяет исследователям полностью выполнять дизайн в 3D. Ранние инструменты проектирования позволяли создавать только в 2D, что заставляло исследователей отображать свои творения в 3D.
Это означало, что дизайнеры не могли делать свои устройства слишком сложными.
Программное обеспечение также позволяет дизайнерам создавать структуры ДНК «снизу вверх» или «сверху вниз»."
При проектировании «снизу вверх» исследователи берут отдельные нити ДНК и решают, как организовать их в желаемую структуру, что позволяет точно контролировать структуру и свойства локального устройства.
Но они также могут использовать подход «сверху вниз», когда они решают, как их общее устройство должно иметь геометрическую форму, а затем автоматизировать сборку цепей ДНК.
По словам Кастро, сочетание этих двух элементов позволяет повысить сложность общей геометрии при сохранении точного контроля над свойствами отдельных компонентов.
Еще одним ключевым элементом программного обеспечения является то, что оно позволяет моделировать, как разработанные устройства ДНК будут двигаться и работать в реальном мире.
«По мере того, как вы усложняете эти структуры, трудно точно предсказать, как они будут выглядеть и как они будут себя вести», – сказал Кастро.
"Очень важно иметь возможность моделировать, как наши устройства будут работать на самом деле. В противном случае мы теряем много времени."
В качестве демонстрации возможностей программного обеспечения соавтор Анжелика Куцинич, докторант кафедры химической и биомолекулярной инженерии в штате Огайо, привела исследователей в создание и определение характеристик многих наноструктур, разработанных с помощью программного обеспечения.
Некоторые из созданных ими устройств включали роботы-манипуляторы с когтями, которые могут подбирать более мелкие предметы, и структуру размером в сто нанометров, которая выглядит как самолет («самолет» в 1000 раз меньше ширины человеческого волоса).
По словам Кастро, способность создавать более сложные наноустройства означает, что они могут делать больше полезных вещей и даже выполнять несколько задач с помощью одного устройства.
Например, одно дело иметь ДНК-робота, который после инъекции в кровоток может обнаружить определенный патоген.
«Но более сложное устройство может не только обнаружить, что происходит что-то плохое, но и отреагировать, выпуская лекарство или улавливая патоген», – сказал он.
"Мы хотим иметь возможность создавать роботов, которые определенным образом реагируют на раздражитель или двигаются определенным образом."
Кастро сказал, что ожидает, что в ближайшие несколько лет программное обеспечение MagicDNA будет использоваться в университетах и других исследовательских лабораториях. Но его использование может расшириться в будущем.
«Коммерческий интерес к ДНК-нанотехнологиям становится все больше и больше», – сказал он. «Я думаю, что в ближайшие пять-десять лет мы начнем видеть коммерческое применение ДНК-наноустройств, и мы надеемся, что это программное обеспечение может помочь в этом."