在俄亥俄州州立大学开发的新软件将允许创建更复杂的DNA机器人,更快的速度。

这个软件叫做迈尔德纳,将帮助设计师将微小的DNA链,形成小的转子和铰链部件,并将它们组合成复杂的结构,可以移动并完成各种任务,包括药物输送。

研究人员一直在设计了多年的DNA的机器 - 具有较慢的工具和繁琐的手动步骤,Carlos Castro表示,研究和副教授俄亥俄州州的机械和航空航天工程

“纳米铁艺可能已经把我们带走了几天以便在现在只需要几分钟之前设计,”卡斯特罗说。

该小组的研究发表在四月版的自然材料

什么是DNA机器人?

“MagicDNA”软件允许更复杂的设计,根据俄亥俄州立大学的团队,通过主要工作在连接,关节和捆绑组件之间的ssDNA连接的水平。

一种支持药物输送等任务的“DNA机器人”由一个或多个僵硬部件组成。这些组成部分的形状和刚度可以根据双链(即dsDNA)螺旋的数量和排列来精确控制。

为了制造动态DNA机器或机器人,这些坚硬的部件可以通过允许旋转的铰链或允许平移的滑动关节连接在一起。这些连接组件的接头是通过柔性单链DNA (ssDNA)制成的。

卡斯特罗说:“例如,铰链关节可以通过一些沿着一条线排列的短ssDNA连接来连接两个硬束,从而形成。”滑动接头可以通过将两个互补的几何束(如空心管内的圆柱体)装配在一起而形成。

铰链和滑动部件类似于用于制造复杂机器的刚性连杆和接头。

在实践中,一个完整的结构通常由两种类型的DNA链组成,卡斯特罗说:1)一种长ssDNA支架链(约7000-8000个核苷酸)和2)许多被称为“钉”的更短的ssDNA链。

缝合针与支架配对形成双链DNA束,接合处由留下单链的支架部分形成。

MagicDNA允许研究人员在3D中进行整个DNA设计,并且底层股线的路由是自动化的。

“有了这种新的方法和软件工具,我们设想建立一个部件库,可以很容易地纳入新的设计,同时保持定制部件的可能性,并根据需要将许多标准和定制部件集成到新的设计中,”Castro说金宝搏官网科技简报。

该研究的合著者说,以前,dna制造的设备只能有大约6个单独的组件,它们必须与关节和铰链连接,才能进行复杂的运动Hai-Jun苏他是俄亥俄州立大学机械与航空航天工程教授。

“通过这个软件,苏教授说:”与此软件一起制造了一个更容易控制的20个组件的机器人或其他设备。“我们设计能够执行复杂的纳米街的能力是一个巨大的迈曲我们希望他们做的行动。“

俄亥俄州立大学实验室开发的一些复杂设备包括带有爪子的机器人手臂,可以拿起更小的物品,以及100纳米大小的“飞机”结构,比人类头发的宽度小1000倍。

卡斯特罗说:“我们希望能够设计出对刺激做出特定反应或以特定方式移动的机器人。”

卡斯特罗预计,MagicDNA软件将在未来几年内用于大学和其他研究实验室,但它的使用在未来可能会扩大。

“对DNA纳米技术进行了越来越多的商业兴趣,”卡斯特罗说。“我认为在接下来的五到10年里,我们将开始看到DNA NanoDemices的商业应用,我们很乐观,这个软件可以帮助推动该软件。”

在一个问答金宝搏官网下面,卡斯特罗揭示了“自上而下”和“自下而上”的DNA设计方法将如何导致令人兴奋的商业应用。

Carlos Castro,Osu,俄亥俄州州
卡洛斯·卡斯特罗

金宝搏官网为了展示现在机器人的复杂性,你能否将以前的DNA机器人应用与你设想的由20个组件组成的机器人进行比较?

卡洛斯·卡斯特罗当前版本的机器人通常有一个或两个运动部件。通过这种方法,我们可以制作具有许多部件和整体更复杂几何形状的设备。以前的机器人应用演示了对一个或两个组件的操作,例如,将两个分子结合在一起,从而进行化学反应。有了更多的组件,我们就可以构建能够操作(即抓取、移动、释放、定向)许多组件的设备,包括分子、纳米颗粒或其他纳米材料,例如,构建其他纳米级设备或系统。此外,以前的机器人只执行单一功能,而具有许多组件的新机器人可以将许多功能组合成一个系统,如传感、信息处理、驱动、隔离或释放分子。

金宝搏官网:当你用DNA链进行设计时,你能像在设计程序中模拟的任何其他材料一样对待它吗?在设计中模拟DNA链有什么挑战吗?

卡洛斯·卡斯特罗:您可以从物理属性和本地结构基本上确定整体属性的角度来看,就像任何其他材料一样。它仍然具有挑战性,因为模拟中使用的物理模型仍然不完美。它们可以非常良好地预测结构等方面,但预测例如动态设备的运动范围或刺激响应的预测仍然存在静止。

此外,将仿真结果与设计迭代连接起来的过程也不同,主要是因为设计约束条件不同。例如,在典型的设计中,如果一个结构的刚度不够,你可以改变材料。但是对于DNA设备来说,选择就比较有限了,基本上是dsDNA和ssDNA,所以性质通常是通过改变几何形状来调节的。此外,我们经常在材料的使用总量上受到限制,所以如果我们让一个结构变长,它很可能会在宽度上减少。目前正在进行大量工作,将DNA设备与其他材料整合,以扩大或改善功能。

金宝搏官网:一旦你有了设计,过程就像一个像抓住小物品的爪子一样创造出一些微小的机器人手臂。一旦您拥有设计,它会创建纳米技术有多难?

卡洛斯·卡斯特罗一旦我们有了一个设计,制造就通过一个叫做自组装的过程来进行。这意味着我们基本上把构成设计的所有DNA链混合成一个溶液,我们依靠热波动(溶液中水分子的运动驱动分子的随机运动)来驱动DNA链之间的相互作用。

该过程由温度控制。通常将自组装反应加热至65-70oC熔化所有的相互作用,然后慢慢冷却溶液给链找到正确的结合位点的时间。一旦我们有了一个设计,这个过程是相当稳定的,但是产量可以变化很大,从低的几个百分点到高的接近100%。在大多数情况下,相对简单的结构组装成高成品率,而复杂的器件折叠成低成品率。但即使是更复杂的设备,其产率通常也能达到50%以上,而且也有一些方法可以将成形良好的结构从错误折叠的结构中净化出来。目前,该领域仍在进行研究,以更好地了解自组装过程的细节,从而能够提高产量和加快组装过程。

金宝搏官网:您是否以什么样的商业应用设想DNA Nanodemices?

卡洛斯·卡斯特罗:有大量的潜在商业应用。一些实例可包括:药物递送装置,用于癌症治疗剂或其他疾病应用;生物传感器帮助疾病诊断;纳米孔用于新的测序传感应用;用于医学成像的新型造影剂;以及互补工程的新方法,这些方法与CRISPR等技术相互补充或建立。除了生物应用,最近有令人兴奋的工作显示,DNA纳米结构可以用来组织组件,这些组件可以用于电子、能源存储和光学。

金宝搏官网:MagicDNA软件解决的dna机器人设计的主要限制是什么?

卡洛斯·卡斯特罗这个软件和设计过程使一些主要的进步成为可能。一个是它允许在3D中执行整个设计过程。在以前的方法中,设计被映射到二维链布线图上。这是一个非常有用的方式来可视化和操作部分设计,但它是非常具有挑战性的安排和连接许多组件在3D中正确。

此外,还有一些较早的工具,它们要么是自下而上的(即,安排和操纵链以建立一个结构),要么是自上而下的(即,输入几何图形和自动链路由)。这里我们结合了这两种方法的优点。因此,我们可以按照自顶向下的方法构建复杂的总体几何图形,同时保持对局部参数的精细控制,这些参数对控制灵活性或重新配置等属性很重要。

此外,关键步骤是通过模拟反馈连接我们的设计过程。由于我们正在增加DNA机器人的复杂性,因此预测它们的表现甚至是如何看起来的样子。因此,获得仿真反馈非常有用。这也打开了一门,以考虑更高级的功能,如运动,重新配置,机械性能和与其他材料的相互作用,进入设计过程,其中先前的设计主要是几何形状。

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