DNA機器人進化!這款軟體能在幾分鐘內造出複雜結構的奈米設備,進入人體執行任務

DNA機器人進化!這款軟體能在幾分鐘內造出複雜結構的奈米設備,進入人體執行任務

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科幻片中總有這樣的場景:微型機器人進入我們體內辨識有害病原體,並且將藥物送到血管或者器官中,治癒疾病。

最近,科學家透通過設計一種獨特的工具,朝著科幻片的場景邁出了重要的一步,該工具可以在短短的時間內生產出更為複雜的DNA機器人和奈米設備。

4月19日發表在《自然材料》雜誌上的一篇論文中 ,來自俄亥俄州立大學的科學家發佈了一款名為MagicDNA的獨特軟體。

論文連結

 

利用微小DNA鏈,幾分鐘內生產出奈米機器人

MagicDNA可以幫助科學家開發一種可以利用微小DNA鏈的技術,這種技術可以將DNA鏈組合起來,變成成具有鉸鏈和轉子等組織的複雜結構,這些組件可以進入我們的身體執行各種任務,包括藥物輸送。

DNA機器人進化!這款軟體能在幾分鐘內造出複雜結構的奈米設備,進入人體執行任務

DNA已被用於製造奈米元件,其在醫學、奈米製造、合成生物學、生物傳感和生物物理學等眾多領域得到了廣泛應用。但是,當前的DNA奈米元件主要依賴於幾何設計,因此合理設計功能特性(如力響應或致動行為)仍然具有挑戰性。

俄亥俄州立大學機械與航空工程學研究助理教授卡Carlos Castro說,多年來,科學家們一直在使用繁瑣的手動步驟和較慢的設備來進行此操作 。

Castro稱:「有了這一技術,我們能夠在幾分鐘內生產出奈米『機器人』,不用再花費幾天的時間了。」 

而且現在,科學家們製造出來的是更複雜、更有價值的奈米設備。俄亥俄州立大學機械與航太工程學教授Hai-Jun Su表示:「我們可以開發多達六個不同部件的工具,並將它們與鉸鏈和關節結合起來,並嘗試執行複雜的運動。」 「使用此軟體,開發具有多達20個更易於控制的零件的機器人或其他設備並非沒有挑戰。開發出一種能夠執行聽從複雜操作指令的奈米設備是非常重要的一步。」

用MagicDNA軟體創建的機械手奈米設備。資料來源:俄亥俄州立大學 

該軟體具有許多優點,可以幫助專家設計出更好,更有效的奈米設備,並且科學家希望縮短其日常使用的時間。

3D模式下完整設計奈米機器人,模擬工作效果

這一軟體一項非常酷炫的功能是,可以讓科學家真正地以3D方式進行完整的設計。以前類似設備的設計僅支持2D創作,這迫使科學家將其創作轉化為3D方式。

該軟體還允許設計人員創建「自上而下」或「自下而上」的DNA結構。 

在「自上而下」的設計中,科學家們可以決定如何對整個設備進行幾何造型,以獲取適當的DNA鏈,然後自動將DNA鏈組合在一起。但是他們也可以採用「自下而上」的方法,研究人員採用特定的DNA鏈並選擇如何將其組織成所需的結構,從而可以對本地設備的屬性和結構進行精細控制。該軟體的另一個重要組成部分是,它可以模擬設計的DNA工具在現實世界中的移動和工作方式。

Castro稱:「隨著這些結構的複雜化,要準確地預測它們的外觀以及它們將如何發揮作用是具有挑戰性的。」 「因此,在虛擬環境中模擬這些工具是如何工作的非常有必要,這能夠節省我們不少時間。」

論文合著者Anjelica Kucinic是俄亥俄州立大學生物分子和化學工程博士學位的學者,他指導了該軟體許多奈米結構的創建。

他們建造的一些工具包括帶有爪子的機械臂,這些機械臂能夠抓起較小的物體,還有看起來像飛機的一百奈米大小的結構。Castro說,製造更複雜的奈米元件的能力表明,它們可以做更多有益的事情,而且可以用一種工具執行各種任務。

例如,創建可以在血液中工作,發現特定細菌的DNA機器人。

「更複雜的『機器人』不僅可以發現正在發生的錯誤,還可以透過釋放藥物或捕獲病原體來做出醫學治療。」 「我們的主要目標是開發對刺激做出選擇性反應或以某種方式運動的機器人。」

Castro表示,他認為接下來的幾年中,MagicDNA軟體將在研究實驗室和大學中使用,並且會發揮更為重要的作用。

他說:「 DNA奈米技術將在商業上越來越流行。」 「我相信在未來的五到十年內,DNA奈米設備將商業化落地,我們相信該軟體將有助於加速這一發展。」

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