Автор AZoNano 20 апреля 2021 г.

Роботы на основе ДНК могут стать важной частью медицины будущего, а новый инструмент может создавать невероятно сложные наномашины за считанные минуты, а не дни.

Этот «самолет», сделанный из нитей ДНК, в 1000 раз меньше ширины человеческого волоса. Изображение предоставлено Государственным университетом Огайо.

Будущее лекарств и их доставки во многом связано с созданием наномашин, а также с обнаружением опасных патогенов в нашем организме. Революция в области наномашин сейчас настолько сложна, что ученые могут использовать ДНК для создания наноустройств, которые можно использовать не только в медицине, но и в столь разных областях, как нанопроизводство, синтетическая биология, биосенсор и биофизика.

Одна проблема, которая существует между текущими исследованиями и повсеместным применением наномашин на основе ДНК, заключается в том, что современные методы создания зависят от геометрического дизайна, что затрудняет использование функциональных свойств, таких как сила-реакция или поведение при срабатывании.

Эти свойства, возможно, стали более достижимыми благодаря исследованиям, проводимым в Университете штата Огайо.

Группа исследователей из института во главе с бывшим докторантом инженерных наук Чао-Минь Хуангом представила новый инструмент, который, по их словам, может создавать сложные ДНК-роботы за считанные минуты. Эта разработка является значительным улучшением существующих платформ, на создание которого могут уйти дни.

Механизм команды был обозначен как MagicDNA и обсуждается в статье, опубликованной в последнем выпуске журнала Nature Materials¹.

«Коммерческий интерес к нанотехнологиям ДНК растет, – говорит Карлос Кастро, профессор механической и аэрокосмической инженерии в штате Огайо и один из соавторов исследования.

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.

Карлос Кастро, Университет штата Огайо

MagicDNA указывает путь к сложным устройствам ДНК

Программное обеспечение MagicDNA дает исследователям метод взятия цепей ДНК и объединения их в сложные структуры. Он сочетает в себе компьютерную инженерию, основанную на крупномасштабной молекулярной динамике, с универсальным подходом компьютерного проектирования, который сочетает в себе автоматизацию сверху вниз с упором на управление геометрией снизу вверх.

Каркас позволяет быстро создавать большие сборки из нескольких компонентов. Несмотря на то, что система полностью автоматизирована, она позволяет разработчикам точно контролировать свойства ДНК, такие как ее геометрия, механическая структура и динамическое действие.

Эти конструкции могут включать движущиеся элементы, такие как роторы и шарниры, детали, которые позволяют наномашинам выполнять широкий спектр задач.

«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», – говорит Хай-Цзюнь Су, профессор механической и аэрокосмической инженерии в штате Огайо. один из соавторов статьи. «С помощью этого программного обеспечения нетрудно создавать роботов или другие устройства, содержащие более 20 компонентов, которыми намного легче управлять».

Одним из преимуществ системы команды является то, что она позволяет ученым проектировать наномашину в полном 3D на протяжении всего процесса создания. Современные методы позволяют начинать проектирование только в 2D, которое затем необходимо отобразить на 3D-модель.

Это означает, что эти конструкции не могли быть слишком сложными. MagicDNA открывает путь к этой сложности, а дополнительная сложность означает более широкую применимость.

Обеспечение проектирования "снизу вверх" и "сверху вниз" в рекордно короткие сроки

Исключение посредника при отображении 2D-дизайна на 3D-структуру значительно ускоряет процесс проектирования наномашин. Команда считает, что их система может иметь значение для получения новой конструкции там, где она нужна, за считанные минуты, а не дни.

«Исследователи делали это в течение ряда лет с помощью более медленных инструментов и утомительных ручных операций», – говорит Кастро. «Но сейчас наноустройства, на разработку которых раньше у нас уходило несколько дней, теперь занимают всего несколько минут»

В дополнение к этому, система MagicDNA позволяет разработчикам выбирать, как они строят свои наномашины.

Пользователи могут работать снизу вверх, беря отдельные нити ДНК и организуя их в определенную структуру. В качестве альтернативы, система также позволяет пользователям применять нисходящий подход, что означает, что они могут сначала выбрать геометрическую форму своего устройства, а затем автоматизировать процесс, который объединяет ДНК для ее формирования.

Система MagicDNA также позволяет ученым моделировать работу их наномашин на основе ДНК в реальном мире. Это огромный бонус при работе с устройствами возрастающей сложности.

«По мере того, как вы усложняете эти структуры, трудно точно предсказать, как они будут выглядеть и как они будут себя вести», – добавляет Кастро. «Очень важно иметь возможность моделировать, как наши устройства будут на самом деле работают. В противном случае мы теряем много времени »

Демонстрация полезности системы MagicDNA

Чтобы продемонстрировать возможности системы, соавтор Анжелика Кусиник, докторант кафедры химической и биомолекулярной инженерии в штате Огайо, создала ряд конструкций и описала их.

Эти конструкции включали роботизированные манипуляторы с когтями, которые могли захватывать и поднимать предметы, и конструкцию, напоминающую самолет, хотя и размером чуть менее одной тысячной человеческого волоса.

Сложность этих наномашин означает, что они могут выполнять несколько задач. Это означает, что ДНК-робот, доставляющий лекарство, может также зависать по телу в поисках вредных патогенов и реагировать на их присутствие, выпуская новые дозы.

«Но более сложное устройство может не только обнаружить, что происходит что-то плохое, но и отреагировать, выпуская лекарство или улавливая патоген», – говорит Кастро. «Мы хотим иметь возможность создавать роботов, которые реагируют определенным образом. к стимулу или двигаться определенным образом »

В обозримом будущем это программное обеспечение будет использоваться в университетах и ​​исследовательских лабораториях, но команда видит большие перспективы для MagicDNA.

Говоря о системе, Су заключает: «Это огромный шаг в нашей способности разрабатывать наноустройства, которые могут выполнять сложные действия, которые мы хотим, чтобы они выполняли».

Источники

¹ Хуан. C-M., Kucinic. А., Джонсон. Дж. А. и др. [2021]«Интегрированная компьютерная инженерия и проектирование сборок ДНК», Nature Materials, [https://doi.org/10.1038/s41563-021-00978-5]