数日ではなく数分で設計された小型の複雑なDNAロボット

新しいソフトウェアを使用すると、より複雑なデバイスを作成することができます。

いつか科学者たちは DNAベースロボットやその他のナノデバイスは、私たちの体の中に薬物を提供して致命的な病原体の存在を検出し、より多くの小さい電子製品を製造するのに役立ちます。

研究者は、以前に可能であったよりもはるかに複雑なDNAロボットとナノデバイスを短時間で設計することができる新しいツールを開発することにより、未来に向けた大きな一歩を踏み出しました。

2021年4月19日ジャーナルに掲載された論文で 自然の材料、オハイオ州立大学の研究（前工学博士課程の学生黄チャオミン率いる）はMagicDNAという新しいソフトウェアを公開しました。

このソフトウェアは、研究者たちが、DNAの小さな鎖をもたらすが薬物送達を含むさまざまなタスクを実行して完了することができるローターとヒンジのような部品がある複雑な構造に結合する方法を設計するのに役立ちます。

このビデオは、動く飛行機のように見えるように作られたDNAナノデバイスを示します。 「飛行機」は、人の髪の毛の幅よりも1000倍以上小さい。 クレジット：Ohio State University

研究者は、退屈な手動の手順が遅いツールを使用して数年の間に、この操作を行ってきました。 研究の共著者であり、オハイオ州立大学の機械、航空宇宙工学の助教授であるCarlos Castroは言いました。

「しかし、今まで設計するために数日かかったことがあるナノデバイスは、これまで数分しかかかりません。」とCastroは言いました。

そして今、研究者は、はるかに複雑であり、有用なナノデバイスを作成することができます。

研究の共同著者であるオハイオ州立大学の機械、航空宇宙工学の教授であることがしてくれたは「以前は最大約6つの個別の構成要素として、デバイスを作成し、関節のヒンジで接続して、複雑な動作を実行するようにすることができました。 。

「このソフトウェアを使用すると、はるかに容易に制御することができる20以上の構成要素として、ロボットやその他のデバイスを作ることが難しくありません。 私たちが望む複雑なタスクを実行することができるナノデバイスを設計することは、私たちの能力において大きな進展です。」

小さなものを家ことができるニッパーが付いたロボットアームナノ装置。 クレジット：Ohio State University

このソフトウェアは、科学者がより良く、より便利なナノデバイスの設計に役立つ様々な利点を持っており、研究者は、日常的に使用する前に、時間を短縮することを希望します。

1つの利点は、研究者が全体の設計を3Dで実際に実行することができるということです。 以前のデザインツールは、2Dのみ製作できたので、研究員は、制作物を3Dにマッピングする必要がしました。 つまり、デザイナーは、デバイスをも複雑にすることができません。

また、このソフトウェアを使用すると、設計者は、「トップダウン」または「トップダウン」DNAの構造を構築することができます。

「ボトムアップ」の設計からの研究者は、DNAの個々の鎖を持ってきて欲しいの構造で構成する方法を決定します。これにより、ローカルデバイスの構造と特性を微細に制御することができます。

しかし、彼らはまた、デバイス全体が幾何学的に形成されるべき方法を決定し、DNA鎖が結合されている方法を自動化する「トップダウン」アプローチを取ることができます。

この2つの組み合わせは、個々のコンポーネントのプロパティの正確な制御を維持しながら、全体のジオメトリの複雑さを増加させることができるとCastroは言いました。

ソフトウェアのもう一つの重要な要素は、設計されたDNAのデバイスが現実の世界でどのように動いて動作するかをシミュレートすることができるということです。

「このような構造をより複雑にすると、どのように見えたように動作するかを正確に予測することが困難である。」とCastroは言いました。

「私たちのデバイスが実際に動作する方法をシミュレートすることができることが重要です。 そうでなければ、多くの時間を無駄にします。」

ソフトウェアの能力を実証するために、オハイオ州立大学の化学および生体分子工学の博士課程の学生であるAnjelica Kucinic銀ソフトウェアで設計した多くのナノ構造を作成し特徴付けるために研究者をリードしてきました。

彼らが作った装置の一部には、小さなものを家ことができるニッパーが付いたロボットアームや飛行機のように見える100ナノメートルサイズの構造が含まれています（「飛行機」は、人の髪の毛の幅よりも1000倍小さい）。

より複雑なナノデバイスを作成する能力は、より有用な仕事をすることができ、1つのデバイスに複数のタスクを実行できることを意味するとカストロは言った。

例えば、血流に注入した後、特定の病原体を検出することができるDNAロボットを持つことは一つです。

「しかし、より複雑な装置は、悪いことが起きていることを検出するだけでなく、薬物を放出するか、病原体を捕獲して反応することもできます。」と彼は言いました。

「刺激に特定の方法で反応したり、特定の方法で動くロボットを設計することができるが望んでいる。」

Castroは、今後数年の間にMagicDNAソフトウェアは、大学やその他の研究室で使用されることが予想と言いました。 しかし、その使用は、将来的に拡張することができます。

「DNAナノテクノロジーの商業的関心がますます高まっています。 「今後5年から10年以内にDNAナノデバイスの商業的応用が開始と考えであり、このソフトウェアがこれを推進するのに役立つことができると楽観します。」

参照：Chao-Min Huang、Anjelica Kucinic、Joshua A. Johnson、Hai-Jun SuとCarlos E. Castroの「Integrated computer-aided engineering and design for DNA assembly “、2021年4月19日、 自然の材料。

オハイオ州立大学で生物物理学の博士号を受けたJoshua Johnsonも、この論文の共著者でした。

この研究では、National Science Foundationの助成金で支援しました。