ДНК-роботов теперь проектируют за минуты вместо дней
Учёные полагают, что в будущем крошечные роботы и другие наноустройства на основе ДНК смогут доставлять лекарства внутри организма, обнаруживать смертельно опасные патогены и помогать в производстве всё более миниатюрной электроники.
Исследователи сделали большой шаг к этому будущему, разработав новый инструмент, который позволяет проектировать гораздо более сложные ДНК-роботы и наноустройства, чем когда-либо прежде, и за доли времени.
В статье, опубликованной в журнале Nature Materials, исследователи из Университета штата Огайо представили новое программное обеспечение под названием MagicDNA.
Это ПО помогает исследователям разрабатывать способы соединения крошечных нитей ДНК в сложные структуры с такими компонентами, как роторы и шарниры, которые могут двигаться и выполнять различные задачи, включая доставку лекарств.
Ранее для этого использовались более медленные инструменты с утомительными ручными этапами. «Но теперь наноустройства, на проектирование которых у нас уходило несколько дней, создаются за считанные минуты», — говорит соавтор исследования Карлос Кастро.
Более того, теперь исследователи могут создавать гораздо более сложные и полезные наноустройства. «Раньше мы могли создавать устройства примерно из шести отдельных компонентов, соединять их шарнирами и пытаться заставить выполнять сложные движения. С этим программным обеспечением несложно сделать роботов или другие устройства, содержащие более 20 компонентов, которыми гораздо легче управлять. Это огромный шаг вперёд в нашей способности проектировать наноустройства, выполняющие нужные нам сложные действия», — отмечает соавтор Хай-Цзюнь Су.
Ключевые преимущества MagicDNA:
Полноценное 3D-проектирование: Ранние инструменты позволяли создавать конструкции только в 2D, что ограничивало сложность устройств.
Гибкий подход «снизу вверх» и «сверху вниз»:
- «Снизу вверх»: Исследователи берут отдельные нити ДНК и решают, как организовать их в желаемую структуру, что обеспечивает точный контроль над локальными свойствами.
- «Сверху вниз»: Определяется общая геометрическая форма устройства, после чего ПО автоматически подбирает компоновку нитей ДНК.
- Комбинация подходов позволяет увеличивать общую сложность геометрии, сохраняя точный контроль над свойствами отдельных компонентов.
Симуляция работы: ПО позволяет моделировать, как спроектированные устройства будут двигаться и функционировать в реальном мире, что экономит время на изготовление нерабочих прототипов.
В качестве демонстрации возможностей ПО исследователи создали и охарактеризовали множество наноструктур, включая манипуляторы с «клешнями» для захвата мелких предметов и структуру размером сто нанометров, напоминающую самолёт (это в 1000 раз меньше ширины человеческого волоса).
Возможность создавать более сложные устройства означает, что они могут выполнять более полезные действия и даже решать несколько задач одновременно. «Более сложное устройство может не только обнаружить патоген, но и отреагировать, выпустив лекарство или захватив его. Мы хотим проектировать роботов, которые определённым образом реагируют на стимул или движутся заданным образом», — поясняет Кастро.
Ожидается, что в ближайшие годы MagicDNA будет использоваться в университетах и исследовательских лабораториях. «Интерес коммерческого сектора к ДНК-нанотехнологиям растёт. Мы думаем, что в ближайшие 5–10 лет мы начнём видеть коммерческие применения ДНК-наноустройств, и мы оптимистично настроены, что это программное обеспечение может помочь ускорить этот процесс», — заключает исследователь.