mai 18, 2021

Nettnord.no

Næringsnett Nord-Troms

DNA Airplane

Små og komplekse DNA-roboter designet på få minutter i stedet for dager

Dette “planet”, laget av DNA-tråder, er 1000 ganger mindre enn bredden på et menneskehår. Kreditt: Ohio State University

Den nye programvaren vil tillate opprettelse av mer komplekse enheter.

En dag, mener forskere, bittesmå DNATeknologibaserte roboter og andre nanomeenheter vil levere medisiner til kroppen vår, oppdage tilstedeværelsen av dødelige patogener og bidra til å lage stadig mindre elektronikk.

Forskerne tok et stort skritt mot den fremtiden ved å utvikle et nytt verktøy som kan designe mye mer komplekse DNA-roboter og nanomeenheter enn noen gang før i en brøkdel av tiden.

I en artikkel publisert 19. april 2021 i bladet NaturmaterialerForskere ved Ohio State University, ledet av tidligere ingeniør doktorgradsstudent Chao-Min Huang, presenterte ny programvare de kaller MagicDNA.

Programvaren hjelper forskere med å designe måter å ta små DNA-tråder og kombinere dem i komplekse strukturer med deler som rotorer og hengsler som kan bevege seg og fullføre en rekke oppgaver, inkludert legemiddelleveranse.

Denne videoen viser en DNA-nanordning som er laget for å ligne et fly i bevegelse. “Flyet” er 1000 ganger mindre enn bredden på et menneskehår. Kreditt: Ohio State University

Forskere har gjort dette i flere år med langsommere verktøy med kjedelige manuelle trinn, sa Carlos Castro, medforfatter av studien og lektor i maskin- og romfartsteknikk i Ohio State.

“Men nå tar det bare noen få minutter å bruke nanomeenheter som tidligere tok oss dager å designe,” sa Castro.

Og nå kan forskere lage mye mer kompliserte og nyttige nanodeenheter.

“Tidligere kunne vi bygge enheter med opptil seks individuelle komponenter og koble dem til ledd og hengsler og prøve å få dem til å utføre komplekse bevegelser,” sa studieforfatter Hai-Jun Su, professor i maskin- og romfartsteknikk ved Ohio State. . .

READ  Russland rapporterer om første menneskelige tilfeller av H5N8 fugleinfluensa

“Med denne programvaren er det ikke vanskelig å lage roboter eller andre enheter med mer enn 20 komponenter som er mye lettere å kontrollere. Det er et stort skritt i vår evne til å designe nanomeenheter som kan utføre de komplekse handlingene vi vil at de skal gjøre. “

Robotarm DNA nanodeenhet

En nanoenhet med robotarm av klo-typen som kan plukke opp mindre gjenstander. Kreditt: Ohio State University

Programvaren har en rekke fordeler som vil hjelpe forskere med å designe bedre og mer nyttige nanodeenheter, og forskerne håper å forkorte tiden før daglig bruk.

En fordel er at det lar forskere faktisk gjøre hele designet i 3D. Tidligere designverktøy tillot bare 2D-opprettelse, noe som tvang forskere til å kartlegge kreasjonene sine i 3D. Det betydde at designere ikke kunne gjøre enhetene for kompliserte.

Programvaren lar designere også bygge “nedenfra og opp” eller “ovenfra og ned” DNA-strukturer.

I “bottom-up” -designet tar forskerne individuelle DNA-tråder og bestemmer hvordan de skal organiseres i strukturen de ønsker, slik at de får nøyaktig kontroll over strukturen og egenskapene til den lokale enheten.

Men de kan også ta en “top-down” -tilnærming der de bestemmer hvordan deres samlede enhet skal være geometrisk formet og deretter automatiserer hvordan DNA-strengene er satt sammen.

Kombinasjonen av de to gjør det mulig å øke kompleksiteten i den generelle geometrien samtidig som den opprettholder nøyaktig kontroll over egenskapene til individuelle komponenter, sa Castro.

Et annet sentralt element i programvaren er at den tillater simuleringer av hvordan designede DNA-enheter vil bevege seg og fungere i den virkelige verden.

“Ettersom disse strukturene blir mer komplekse, er det vanskelig å forutsi nøyaktig hvordan de vil se ut og hvordan de vil oppføre seg,” sa Castro.

READ  NASA lanserer 3D-video av oppfinnsomhet Mars Helicopter Flight

“Det er viktig å kunne simulere hvordan enhetene våre faktisk vil fungere. Ellers taper vi mye tid. “

Som en demonstrasjon av programvarens evner ledet medforfatter Anjelica Kucinic, doktorgradsstudent i kjemisk og biomolekylær ingeniørfag ved Ohio State, forskerne i opprettelsen og karakteriseringen av mange nanostrukturer konstruert av programvaren.

Noen av enhetene de skapte, inkluderte robotarmer med klør som kan plukke opp mindre gjenstander og en struktur på størrelse med hundre nanometer som ser ut som et fly (“flyet” er 1000 ganger mindre enn bredden på et menneskehår).

Evnen til å lage mer komplekse nanomeenheter betyr at de kan gjøre mer nyttige ting og til og med multitaskere med en enkelt enhet, sa Castro.

For eksempel er det en ting å ha en DNA-robot som, etter injeksjon i blodet, kan oppdage et bestemt patogen.

“Men en mer kompleks enhet kan ikke bare oppdage at noe skjer, den kan også reagere ved å frigjøre et medikament eller fange patogenet,” sa han.

“Vi ønsker å kunne designe roboter som reagerer på en bestemt måte på en stimulans eller beveger seg på en bestemt måte.”

Castro sa at han håper at MagicDNA-programvaren i løpet av de neste årene vil bli brukt på universiteter og andre forskningslaboratorier. Men bruken kan utvides i fremtiden.

“Det er økende kommersiell interesse for DNA-nanoteknologi,” sa han. “Jeg tror at i løpet av de neste fem til ti årene vil vi begynne å se kommersielle applikasjoner av DNA-nanoenheter, og vi er optimistiske for at denne programvaren kan bidra til å drive det.”

Referanse: “Integrated Computer Aided Engineering and Design for DNA Assemblies” av Chao-Min Huang, Anjelica Kucinic, Joshua A. Johnson, Hai-Jun Su og Carlos E. Castro, 19. april 2021, Naturmaterialer.

Joshua Johnson, som fikk doktorgrad i biofysikk fra delstaten Ohio, var også medforfatter på avisen.

READ  Genmodifiserte mygg utgitt i Florida

Forskningen ble støttet av tilskudd fra National Science Foundation.