科學(xué)家們相信，有朝一日，基于 DNA 的微型機器人和其他納米設(shè)備將在我們體內(nèi)輸送藥物，檢測致命病原體的存在，并幫助制造越來越小的電子產(chǎn)品。研究人員開發(fā)了一種新工具，可以在很短的時間內(nèi)設(shè)計出比以往任何時候都復(fù)雜得多的 DNA 機器人和納米設(shè)備，從而朝著這個未來邁出了一大步。

在《自然材料》雜志上發(fā)表的一篇論文中，來自俄亥俄州立大學(xué)的研究人員——由前工程博士生 Chao-Min Huang 領(lǐng)導(dǎo)——推出了他們稱之為 MagicDNA 的新軟件。

該軟件可幫助研究人員設(shè)計出獲取微小 DNA 鏈的方法，并將它們組合成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子和鉸鏈等部件可以移動并完成各種任務(wù)，包括藥物輸送。

該研究的合著者、俄亥俄州立大學(xué)機械和航空航天工程副教授卡洛斯·卡斯特羅( Carlos Castro)說，多年來，研究人員一直在使用速度較慢的工具和繁瑣的手動步驟進行這項工作 。

“但現(xiàn)在，以前可能需要我們幾天才能設(shè)計的納米設(shè)備現(xiàn)在只需幾分鐘，”卡斯特羅說。

現(xiàn)在研究人員可以制造更復(fù)雜、更有用的納米設(shè)備。

研究合著者、俄亥俄州立大學(xué)機械和航空航天工程教授蘇海軍說：“以前，我們可以制造多達大約六個獨立組件的設(shè)備，并將它們與關(guān)節(jié)和鉸鏈連接起來，并嘗試使它們執(zhí)行復(fù)雜的運動。” .

“有了這個軟件，制造機器人或其他設(shè)備并不難，它有超過 20 個組件，更容易控制。這是我們設(shè)計能夠執(zhí)行我們希望它們執(zhí)行的復(fù)雜操作的納米設(shè)備的能力的一大步。”

該軟件具有多種優(yōu)勢，可以幫助科學(xué)家設(shè)計更好、更有用的納米設(shè)備，并且——研究人員希望——縮短它們投入日常使用的時間。

一個優(yōu)勢是它允許研究人員真正以 3D 方式進行整個設(shè)計。早期的設(shè)計工具只允許在 2D 中進行創(chuàng)作，迫使研究人員將他們的創(chuàng)作映射到 3D 中。這意味著設(shè)計師不能讓他們的設(shè)備過于復(fù)雜。

該軟件還允許設(shè)計人員“自下而上”或“自上而下”構(gòu)建 DNA 結(jié)構(gòu)。

在“自下而上”的設(shè)計中，研究人員獲取單個 DNA 鏈并決定如何將它們組織成他們想要的結(jié)構(gòu)，從而可以對局部設(shè)備結(jié)構(gòu)和屬性進行精細(xì)控制。

但他們也可以采用“自上而下”的方法，他們決定整體設(shè)備的幾何形狀，然后自動化 DNA 鏈的組合方式。

Castro 說，將兩者結(jié)合起來可以增加整體幾何形狀的復(fù)雜性，同時保持對單個組件屬性的精確控制。

該軟件的另一個關(guān)鍵要素是它可以模擬設(shè)計的 DNA 設(shè)備在現(xiàn)實世界中的移動和操作方式。

“當(dāng)你讓這些結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜時，就很難準(zhǔn)確預(yù)測它們會是什么樣子以及它們將如何表現(xiàn)，”卡斯特羅說。

“能夠模擬我們的設(shè)備實際運行方式至關(guān)重要。否則，我們會浪費很多時間。”

作為該軟件能力的證明，合著者、俄亥俄州立大學(xué)化學(xué)和生物分子工程博士生 Anjelica Kucinic 帶領(lǐng)研究人員制作和表征了該軟件設(shè)計的許多納米結(jié)構(gòu)。

他們創(chuàng)造的一些設(shè)備包括帶有爪子的機器人手臂，可以撿起更小的物品，以及看起來像一架飛機的一百納米大小的結(jié)構(gòu)(“飛機”比人類頭發(fā)的寬度小 1000 倍)。

卡斯特羅說，制造更復(fù)雜納米設(shè)備的能力意味著它們可以做更多有用的事情，甚至可以用一個設(shè)備執(zhí)行多項任務(wù)。

例如，擁有一個 DNA 機器人，在注入血液后，它可以檢測某種病原體，這是一回事。

“但更復(fù)雜的設(shè)備不僅可以檢測到正在發(fā)生的事情，而且還可以通過釋放藥物或捕獲病原體來做出反應(yīng)，”他說。

“我們希望能夠設(shè)計出以特定方式響應(yīng)刺激或以特定方式移動的機器人。”

Castro 表示，他預(yù)計在未來幾年內(nèi)，MagicDNA 軟件將用于大學(xué)和其他研究實驗室。但它的使用在未來可能會擴大。

“人們對 DNA 納米技術(shù)的商業(yè)興趣越來越大，”他說。“我認(rèn)為在未來 5 到 10 年內(nèi)，我們將開始看到 DNA 納米設(shè)備的商業(yè)應(yīng)用，我們樂觀地認(rèn)為該軟件可以幫助推動這一點。”

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