Когда-нибудь, как полагают ученые, крошечные роботы на основе ДНК и другие наноустройства будут доставлять лекарства внутрь нашего тела, обнаруживать присутствие смертельных патогенов и помогать производить электронику все меньшего размера.
Исследователи сделали большой шаг к этому будущему, разработав новый инструмент, который может создавать гораздо более сложные ДНК-роботы и наноустройства, чем когда-либо было возможно раньше, за очень короткое время. В статье, опубликованной в журнале Nature Materials, исследователи из Университета штата Огайо во главе с бывшим докторантом инженерного дела Чао-Минь Хуангом представили новое программное обеспечение, которое они назвали MagicDNA.
Программное обеспечение помогает исследователям разработать способы взять крошечные нити ДНК и объединить их в сложные структуры с такими частями, как роторы и шарниры, которые могут перемещаться и выполнять различные задачи, включая доставку лекарств.
По словам Карлоса Кастро, соавтора исследования и доцента кафедры механической и аэрокосмической техники в штате Огайо, исследователи уже несколько лет делают это с помощью более медленных инструментов с утомительными ручными шагами. Но сейчас наноустройства, на проектирование которых раньше у нас уходило несколько дней, теперь занимают всего несколько минут. И теперь исследователи могут создавать гораздо более сложные и полезные наноустройства.
Ранее имелась возможность создавать устройства, состоящие примерно из шести отдельных компонентов, соединять их с помощью шарниров и шарниров и пытаться заставить их выполнять сложные движения. С помощью этого программного обеспечения нетрудно создавать роботов или другие устройства, содержащие более 20 компонентов, которыми намного легче управлять. Это огромный шаг в нашей способности разрабатывать наноустройства, способные выполнять сложные действия, которые мы хотим от них.
Программное обеспечение имеет ряд преимуществ, которые помогут ученым разрабатывать более совершенные и полезные наноустройства и, как надеются исследователи, сократить время до их повседневного использования.
Одно из преимуществ состоит в том, что это позволяет исследователям выполнять весь дизайн в 3D. Ранние инструменты проектирования позволяли создавать только в 2D, что заставляло исследователей отображать свои творения в 3D. Это означало, что дизайнеры не могли делать свои устройства слишком сложными. Программное обеспечение также позволяет дизайнерам создавать структуры ДНК "снизу вверх" или "сверху вниз".
При проектировании "снизу вверх" исследователи берут отдельные нити ДНК и решают, как организовать их в желаемую структуру, что позволяет точно контролировать структуру и свойства локального устройства. Но они также могут использовать подход "сверху вниз", когда они решают, какую геометрическую форму должно иметь устройство, а затем автоматизировать сборку цепей ДНК.
По словам авторов, сочетание этих двух элементов позволяет повысить сложность общей геометрии при сохранении точного контроля над свойствами отдельных компонентов. Еще одним ключевым элементом программного обеспечения является то, что оно позволяет моделировать, как сконструированные устройства ДНК будут двигаться и работать в реальном мире.
В качестве демонстрации возможностей программного обеспечения соавтор Анжелика Куцинич, докторант в области химической и биомолекулярной инженерии в штате Огайо, привела исследователей в создание и определение характеристик многих наноструктур, разработанных с помощью программного обеспечения.
Некоторые из созданных ими устройств включали роботы-манипуляторы с когтями, которые могут подбирать более мелкие предметы, и структуру размером в сто нанометров, которая выглядит как самолет («самолет» в 1000 раз меньше ширины человеческого волоса).
По словам ученых, способность создавать более сложные наноустройства означает, что они могут делать больше полезных вещей и даже выполнять несколько задач с помощью одного устройства.
Например, одно дело иметь ДНК-робота, который после инъекции в кровоток может обнаружить определенный патоген. Но более сложное устройство может не только обнаружить, что происходит что-то плохое, но и отреагировать, выпуская лекарство или улавливая патоген.
Уяеные ожидают, что в ближайшие несколько лет программное обеспечение MagicDNA будет использоваться в университетах и других исследовательских лабораториях. Но в будущем его использование может расшириться. Коммерческий интерес к ДНК-нанотехнологиям растет. Вполне вероятно, что в ближайшие пять-десять лет мы начнем видеть коммерческое применение ДНК-наноустройств.
