Ученые использовали генетический алгоритм для проектирования самоорганизующихся частиц с пришитой одноцепочечной ДНК

Ученые из Колумбийского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) разработали новый метод априорного дизайна материалов. Вместо традиционного подбора методом проб и ошибок (Эдисоновского метода) они использовали генетический алгоритм (GA) для проектирования коллоидов, функционализированных одноцепочечной ДНК (ssDNA), которые самоорганизуются в заданные кристаллические структуры.

Проблема и решение

• Проблема: Проектирование ДНК-функционализированных наночастиц сложно из-за огромного пространства экспериментальных параметров и множества локальных минимумов, что делает поиск оптимальных условий неэффективным.
• Решение: Исследователи создали инверсную дизайнерскую платформу, которая сочетает генетический алгоритм с быстрой прямой моделью комплементарных контактов (CCM). Эта модель предсказывает самоорганизацию на основе известных свойств ДНК (длина персистентности, подъем на пару оснований) и ДНК-частиц (число цепей ДНК на частицу, гибридизация "липких концов").

Результаты и валидация

• Метод точно воспроизвел параметры для четырех кристаллических структур, уже полученных экспериментально.
• Неожиданно, алгоритм предсказал параметры для четырех еще не наблюдавшихся кристаллических структур, которые теперь требуют экспериментальной проверки.
• Процесс проектирования занимает несколько минут, в отличие от дней или недель проб и ошибок.

Ограничения и будущие улучшения

• Текущая модель CCM имеет ограничения: она учитывает только притягивающие взаимодействия (полную гибридизацию ДНК в зонах контакта) и не включает отталкивающие взаимодействия между некомплементарными цепями.
• Модель также не учитывает энтропийные эффекты и не всегда однозначно определяет кристаллическую структуру (например, не различает CuAu и CsCl).
• В планах — усовершенствовать CCM, добавив энтропийные вклады и отталкивающие взаимодействия, чтобы уникально описывать все 230 пространственных групп кристаллов.

Перспективы

• Метод универсален и может быть расширен для рационального дизайна других передовых материалов.
• Исследователи планируют применять подход к частицам не сферической формы, что позволит получать ранее недоступные кристаллические решетки.
• Этот подход, названный "Дарвин на стероидах", может революционизировать дизайн материалов для широкого спектра применений: от лекарств и агрохимикатов до топливных присадок, красок и средств личной гигиены.