Ergens in de niet zo verre toekomst accepteren onderzoekers dat minuscule op DNA gebaseerde robots en andere nanodevices medicijnen in ons lichaam zullen transporteren, de aanwezigheid van dodelijke micro-organismen zullen onderscheiden en geleidelijk meer bescheiden hardware zullen helpen fabriceren. Wetenschappers zijn op weg naar die toekomst door een ander apparaat te bouwen dat aanzienlijk meer verbijsterende DNA-robots en nano-apparaten kan plannen dan ooit tevoren in een klein deel van de tijd. Analisten hebben een instrument gebouwd dat complexe DNA-robots en nanodevices in minuten in plaats van dagen kan plannen.
In een paper dat vandaag in het tijdschrift Nature Materials wordt verspreid, onthulden specialisten van de Ohio State University - gereden door de vorige ontwerpende doctoraalstudent Chao-Min Huang - nieuwe programmering die ze MagicDNA noemen. Het product helpt wetenschappers bij het plannen van benaderingen om minuscule DNA-strengen te nemen en deze te consolideren in complexe ontwerpen met onderdelen zoals rotoren en draaipunten die een reeks ondernemingen kunnen verplaatsen en voltooien, waaronder het transport van medicijnen. Een voordeel is dat analisten het hele plan echt in 3D kunnen uitvoeren. Eerdere planapparaten lieten alleen creatie in 2D toe, waardoor specialisten gedwongen werden hun manifestaties in 3D te plannen. Dat impliceerde dat architecten hun apparaten niet overdreven verbijsterend konden maken.
Het product stelt modemakers bovendien in staat om DNA-structuren 'base-up' of 'top-down' te fabriceren. In het 'base-up'-plan nemen wetenschappers enkelvoudige DNA-strengen en concluderen ze hoe ze deze kunnen samenstellen in het ontwerp dat ze nodig hebben, wat een prima gezag geeft over de constructie en eigenschappen van nabijgelegen apparaten. Ze kunnen echter ook een 'top-down' benadering volgen, waarbij ze kiezen hoe hun algemene apparaat wiskundig moet worden gevormd en daarna robotiseren hoe de DNA-strengen worden geassembleerd. Het consolideren van de twee houdt rekening met het uitbreiden van de complexiteit van de algemene wiskunde, terwijl de exacte macht over enkelvoudige segmenteigenschappen behouden blijft. Een ander essentieel onderdeel van het product is dat het re-enactments mogelijk maakt van hoe geplande DNA-apparaten in werkelijkheid zouden bewegen en werken.
Het product helpt wetenschappers bij het plannen van benaderingen om minuscule DNA-strengen te nemen en deze samen te voegen tot complexe ontwerpen met onderdelen zoals rotoren en draaipunten die kunnen bewegen en een reeks opdrachten kunnen voltooien, waaronder het transport van medicijnen. Specialisten doen dit al verschillende jaren met langzamere apparaten met eentonige handmatige vooruitgang, zei Carlos Castro, co-creator van het onderzoek en partnerleraar mechanisch en luchtvaartontwerp aan de Ohio State.
Volgens Castro nemen nanodevices die wetenschappers misschien een paar dagen nodig hadden om te plannen, ze nu slechts een paar minuten nodig. Ook kunnen wetenschappers momenteel aanzienlijk meer onvoorspelbare - en waardevollere - nanodevices maken. Mede-bedenker Hai-Jun Su, docent mechanisch en luchtvaartontwerp aan de Ohio State, zegt dat ze door eerdere ervaring in staat zijn om apparaten te fabriceren met maximaal ongeveer zes afzonderlijke segmenten en deze te associëren met gewrichten en draaipunten en te proberen ze uit te voeren complexe bewegingen.
Hij voegt eraan toe dat het met behulp van dit product niet moeilijk is om robots of verschillende apparaten met maar liefst 20 segmenten te maken die een stuk eenvoudiger te besturen zijn. Het is een gigantische vooruitgang in hun vermogen om nano-apparaten te plannen die de ingewikkelde activiteiten kunnen uitvoeren, wat de wetenschappers ze ook nodig hebben. Het product heeft een reeks voordelen die onderzoekers zullen helpen bij het plannen van betere, meer ondersteunende nanodevices en - zo vertrouwen wetenschappers - de tijd inkorten voordat ze normaal worden gebruikt.
Een voordeel is dat het specialisten in staat stelt om het hele plan echt in 3D uit te voeren. Apparaten met eerdere plannen lieten alleen creatie in 2D toe, waardoor specialisten hun manifestaties in 3D moesten plannen. Dat impliceerde dat de initiators hun apparaten niet overdreven verbijsterend konden maken. Het consolideren van de twee houdt rekening met de toenemende complexiteit van de algemene wiskunde, terwijl het exacte commando over enkelvoudige segmenteigenschappen behouden blijft, zei Castro. Een ander cruciaal onderdeel van het product is dat het recreaties mogelijk maakt van hoe geplande DNA-apparaten in werkelijkheid zouden bewegen en werken.
Zoals Castro zegt, hoe ingewikkelder deze ontwerpen zijn gemaakt, hoe moeilijker het wordt om te bepalen waar ze op zullen lijken en hoe ze zullen werken. Het is essentieel om de mogelijkheid te hebben om na te bootsen hoe de apparaten echt zullen werken. Anders verbranden de wetenschappers een hoop tijd. Als een tentoonstelling van de capaciteit van het product, dreef co-creator Anjelica Kucinic, een doctoraalstudent in substantie en biomoleculair ontwerpen aan de Ohio State, de analisten aan bij het maken en weergeven van talrijke nanostructuren die door het product waren gepland.
Een deel van de apparaten die ze maakten, omvatte robotarmen met poten die meer bescheiden dingen kunnen krijgen, en een constructie van 100 nanometer die op een vliegtuig lijkt (het 'vliegtuig' is meerdere keren kleiner dan de breedte van een mensenhaar). Het vermogen om meer onvoorspelbare nano-apparaten te maken, houdt in dat ze waardevollere dingen kunnen bereiken en zelfs verschillende ondernemingen met één apparaat kunnen voltooien, zei Castro.
Het is bijvoorbeeld één ding om een DNA-robot te hebben die, na infusie in de bloedsomloop, een specifieke microbe kan herkennen. Castro zei dat hij verwacht dat de MagicDNA-programmering de komende, niet vele jaren, zal worden gebruikt op hogescholen en andere onderzoekslaboratoria. Hoe het ook zij, het gebruik ervan kan later worden uitgebreid.
'Er is de mogelijkheid om steeds meer zakelijke interesse te hebben in DNA-nanotechnologie,' zei hij. 'Ik denk dat we in de komende vijf tot tien jaar zakelijke toepassingen van DNA-nanodevices zullen gaan zien en we hebben goede hoop dat dit product daaraan kan bijdragen.'