Någon gång i en inte så avlägsen framtid accepterar forskare att små DNA-baserade robotar och andra nanoenheter kommer att förmedla medicin inuti våra kroppar, urskilja närvaron av dödliga mikroorganismer och hjälpa till att tillverka en allt mer blygsam hårdvara. Forskare gick mot den framtiden genom att bygga upp en annan apparat som kan planera betydligt mer förvirrande DNA-robotar och nanoenheter än vad som någonsin varit tänkbart tidigare under en liten del av tiden. Analytiker har byggt upp ett instrument som kan planera komplexa DNA-robotar och nanoenheter på minuter snarare än dagar.
I en artikel som idag distribueras i tidskriften Nature Materials avslöjade specialister från Ohio State University – drivna av den tidigare designande doktorandstudenten Chao-Min Huang – ny programmering som de kallar MagicDNA. Produkten hjälper forskare med planeringsmetoder för att ta små DNA-strängar och konsolidera dem till komplexa konstruktioner med delar som rotorer och pivoter som kan röra sig och avsluta ett urval av åtaganden, inklusive läkemedelstransport. En fördel är att det tillåter analytiker att göra hela planen på riktigt i 3D. Tidigare planeringsapparater tillät bara skapande i 2D, vilket tvingade specialister att planera sina manifestationer till 3D. Det antydde att arkitekter inte kunde göra sina enheter överdrivet häpnadsväckande.
Produkten tillåter dessutom modeskapare att tillverka DNA-strukturer 'base up' eller 'top-down'. I 'base up'-planen tar forskare enstaka DNA-strängar och drar slutsatsen hur man sätter ihop dem till den design de behöver, vilket tillåter fin auktoritet över närliggande enhetskonstruktion och egenskaper. Men de kan också ta en 'top-down'-strategi där de väljer hur deras allmänna enhet ska formas matematiskt och efteråt robotisera hur DNA-strängarna sätts ihop. Att konsolidera de två tar hänsyn till utökandet av den allmänna matematikens intrikata samtidigt som den exakta makten över singulära segmentegenskaper behålls. En annan viktig komponent i produkten är att den tillåter återskapande av hur planerade DNA-enheter skulle röra sig och fungera i verkligheten.
Produkten hjälper forskare med planeringsmetoder för att ta små DNA-strängar och sammanfoga dem till komplexa konstruktioner med delar som rotorer och pivoter som kan röra sig och avsluta ett urval av uppdrag, inklusive läkemedelstransport. Specialister har gjort detta i flera år med långsammare enheter med monotona manuella framsteg, säger Carlos Castro, medskapare av undersökningen och partnerlärare i mekanisk och aeronautisk design vid Ohio State.
Enligt Castro tar nanoenheter som kan ha tagit forskarna några dagar att planera innan dem nu bara ett par minuter. Dessutom kan forskare för närvarande göra betydligt mer oförutsägbara – och värdefulla – nanoenheter. Medskaparen Hai-Jun Su, lärare i mekanisk design och flygdesign vid Ohio State säger att de på grund av tidigare erfarenheter kan tillverka enheter med upp till cirka sex individuella segment och associera dem med leder och pivoter och försöka få dem att utföra komplexa rörelser.
Han tillägger vidare att med hjälp av denna produkt är det inte svårt att göra robotar eller olika enheter med så många som 20 segment som är mycket enklare att kontrollera. Det är ett gigantiskt framsteg när det gäller deras förmåga att planera nanoenheter som kan spela ut de intrikata aktiviteter som forskarna än behöver dem för att göra. Produkten har ett sortiment av fördelar som kommer att hjälpa forskare att planera bättre, mer stödjande nanoenheter och – forskarna litar på – förkorta tiden innan de används normalt.
En fördel är att det tillåter specialister att göra hela planen på riktigt i 3D. Tidigare planenheter tillät bara skapande i 2D, vilket tvingade specialister att planera sina manifestationer till 3D. Att underförstådda upphovsmän inte kunde göra sina enheter överdrivet häpnadsväckande. Att konsolidera de två tar hänsyn till växande intrikata av den allmänna matematiken samtidigt som man behåller exakt kommandot över singularsegmentegenskaper, sa Castro. En annan kritisk komponent i produkten är att den tillåter återskapande av hur planerade DNA-enheter skulle röra sig och fungera i verkligheten.
Enligt vad Castro säger, ju mer intrikat dessa mönster är gjorda, desto svårare blir det att krita ut vad de kommer att likna och hur de kommer att fungera. Det är grundläggande att ha möjlighet att efterlikna hur enheterna verkligen kommer att fungera. Annars brinner forskarna igenom massor av tid. Som en utställning av produktens kapacitet, drev medskaparen Anjelica Kucinic, doktorand i substans- och biomolekylär design vid Ohio State, analytikerna i att skapa och porträttera många nanostrukturer planerade av produkten.
En del av enheterna de gjorde inkluderade robotarmar med tassar som kan få mer blygsamma saker och 100 nanometerstor konstruktion som liknar ett plan (”Planet” är flera gånger mindre än bredden på ett människohår). Förmågan att göra mer oförutsägbara nanoenheter innebär att de kan åstadkomma mer värdefulla saker och till och med utföra olika åtaganden med en enhet, sa Castro.
Till exempel är det en sak att ha en DNA-robot som efter infusion i cirkulationssystemet kan känna igen en specifik mikrob. Castro sa att han förväntar sig att under de följande, inte många åren, kommer MagicDNA-programmeringen att användas på högskolor och andra undersökningslabb. Hur som helst, dess användning kan förlängas senare.
'Det finns möjlighet att bli allt mer affärsintresse för DNA-nanoteknik,' sa han. 'Jag tror att vi under de följande fem till tio åren kommer att börja se affärsanvändningar av DNA-nanoenheter och vi hoppas att den här produkten kan hjälpa till att driva det.'