科学家相信,基于DNA的微型机器人和其他纳米设备将在我们体内传递药物,检测致命病原体的存在,并帮助制造越来越小的电子设备。

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研究人员通过开发一种新工具,朝着那个未来迈出了一大步,该新工具可以在短短的时间内,设计出比以往任何时候都复杂得多的DNA机器人和纳米设备。

在今天(2021年4月19日)发表在《自然材料》杂志上的一篇论文中,由前工程博士学位学生黄朝敏领导的俄亥俄州立大学的研究人员推出了一种名为MagicDNA的新软件。

该软件可帮助研究人员设计方法,以获取微小的DNA链,并将其结合成复杂的结构,并具有诸如转子和铰链之类的部件,这些部件可以移动并完成各种任务,包括药物输送。

这项研究的合著者,俄亥俄州立大学机械与航空工程副教授卡洛斯·卡斯特罗(Carlos Castro)说,多年来,研究人员一直在使用较慢的工具和繁琐的手动步骤来进行此操作。

卡斯特罗说:“但是现在,可能需要我们花几天时间才能设计的纳米器件现在只需要几分钟。”

现在,研究人员可以制造出更加复杂且有用的纳米设备。

这项研究的合著者之一,俄亥俄州立大学机械与航空航天工程学教授苏海钧说:“以前,我们可以制造多达六个左右独立组件的设备,并将它们与关节和铰链连接起来,并试图使它们执行复杂的运动。” 。

“使用此软件,制造具有多达20个组件的机器人或其他易于控制的组件并不难。这是我们设计能够执行我们希望它们执行的复杂动作的纳米设备的能力的重要一步。 。”

该软件具有多种优势,可以帮助科学家设计出更好,更有用的纳米器件,而且-研究人员希望-可以缩短它们在日常使用中的时间。

优点之一是,它使研究人员可以真正地以3D方式进行整个设计。早期的设计工具仅允许2D创作,这迫使研究人员将其创作映射到3D中。这意味着设计师不能使他们的设备过于复杂。

该软件还允许设计人员构建“自下而上”或“自上而下”的DNA结构。

在“自下而上”的设计中,研究人员获取DNA的各个链,并决定如何将其组织成所需的结构,从而可以对本地设备的结构和属性进行精细控制。

但是他们也可以采用“自上而下”的方法,在此方法中,他们需要决定如何对整个设备进行几何造型,然后使DNA链如何自动组合在一起。

卡斯特罗说,将两者结合起来可以增加整体几何形状的复杂性,同时保持对单个零件属性的精确控制。

该软件的另一个关键要素是,它可以模拟设计的DNA设备在现实世界中的移动和运行方式。

卡斯特罗说:“随着这些结构变得更加复杂,很难准确预测它们的外观和行为方式。”

“能够模拟我们的设备实际运行方式至关重要。否则,我们会浪费大量时间。”

为了证明该软件的功能,合著者Anjelica Kucinic是俄亥俄州立大学化学和生物分子工程的博士研究生,他带领研究人员制作和表征了该软件设计的许多纳米结构。

他们创造的一些设备包括带有爪子的机械臂,可以抓起较小的物品,还有一个一百纳米大小的结构,看起来像一架飞机(“飞机”比人的头发小1000倍)。

卡斯特罗说,制造更复杂的纳米设备的能力意味着它们可以做更多有用的事情,甚至可以在一台设备上执行多项任务。

例如,拥有一台DNA机器人,将其注入血液后,可以检测到某种病原体,这是一回事。

他说:“但是,更复杂的设备不仅可以检测到正在发生的不良情况,还可以通过释放药物或捕获病原体来做出反应。”

“我们希望能够设计对刺激做出特定反应或以特定方式运动的机器人。”

卡斯特罗说,他预计在未来几年中,MagicDNA软件将在大学和其他研究实验室中使用。但是它的用途可能会在将来扩展。

他说:“ DNA纳米技术越来越受到商业关注。” “我认为在未来的五到十年中,我们将开始看到DNA纳米设备的商业应用,我们对该软件可以帮助推动这一发展感到乐观。”

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