Nuovi strumenti progettano robot DNA complessi e nanodispositivi
Una delle aree più promettenti del campo della robotica coinvolge minuscoli robot e nanodispositivi basati sul DNA, che secondo gli scienziati alla fine saranno in grado di fornire medicine mirate al corpo umano. Potrebbero anche essere utilizzati per rilevare agenti patogeni e portare allo sviluppo di dispositivi elettronici più piccoli.
Un recente progresso in questo settore è avvenuto quando i ricercatori della Ohio State University hanno sviluppato un nuovo strumento che consente la progettazione di robot DNA e nanodispositivi molto più complessi di quanto fosse possibile in precedenza. Allo stesso tempo, questi sistemi più complessi possono essere sviluppati in una frazione del tempo.
La ricerca è stata pubblicata il mese scorso sulla rivista Nature Materials , ed è stato condotto da ex studente di dottorato di ingegneria Chao-Min Huang.
Il nuovo software, chiamato MagicDNA, aiuta i ricercatori a progettare modi per combinare minuscoli filamenti di DNA per creare strutture complesse con parti come rotori e cardini. Queste parti possono spostarsi e completare varie attività diverse, come la somministrazione di farmaci.
Secondo Carlos Castro, coautore della ricerca e professore associato di ingegneria meccanica e aerospaziale all’università, i ricercatori hanno tradizionalmente fatto affidamento su strumenti più lenti e passaggi manuali per questi processi.
“Ma ora, i nanodispositivi che potrebbero aver impiegato diversi giorni per la progettazione prima di ora impiegano solo pochi minuti”, ha detto Castro.
Questi nuovi progetti sono molto più complessi e creano nanodispositivi efficienti.
Hai-Jun Su è un altro coautore e professore di ingegneria meccanica e aerospaziale all’università.
“In precedenza, potevamo costruire dispositivi con un massimo di sei singoli componenti e collegarli con giunti e cerniere e provare a farli eseguire movimenti complessi”, ha detto Su.
“Con questo software, non è difficile realizzare robot o altri dispositivi con più di 20 componenti molto più facili da controllare. È un enorme passo avanti nella nostra capacità di progettare nanodispositivi in grado di eseguire le azioni complesse che vogliamo che facciano “.
I ricercatori sperano che il software non crei solo progetti migliori e nanodispositivi più utili, ma che acceleri anche i tempi per quando diventeranno strumenti quotidiani.
Il nuovo approccio consente ai ricercatori di eseguire il processo di progettazione in 3D. Gli strumenti precedenti lavoravano in 2D, il che significava che i ricercatori dovevano mappare le creazioni in 3D. In questo modo, i dispositivi erano limitati nella loro complessità.
Dal basso verso l’alto o dall’alto verso il basso
Un altro aspetto chiave del software è che consente ai ricercatori di creare strutture di DNA “dal basso verso l’alto” o “dall’alto verso il basso”. Con il primo, i ricercatori organizzano i singoli filamenti di DNA nella struttura desiderata, il che significa che possono avere un controllo preciso sulla struttura e sulle proprietà del dispositivo locale.
Con l’approccio “dall’alto verso il basso”, possono decidere in che modo l’intero dispositivo deve essere modellato geometricamente e possono quindi automatizzare l’organizzazione dei filamenti di DNA. Combinando le due tecniche, la geometria complessiva può diventare più complessa pur mantenendo un controllo preciso sulle proprietà dei singoli componenti.
Il software consente inoltre ai ricercatori di simulare come funzionerebbero i dispositivi DNA progettati nel mondo reale.
“Man mano che si rendono queste strutture più complesse, è difficile prevedere esattamente come saranno e come si comporteranno”, ha detto Castro.
“È fondamentale essere in grado di simulare il funzionamento effettivo dei nostri dispositivi. Altrimenti, sprechiamo molto tempo “.
Creazione delle nanostrutture
Anjelica Kucinic è coautrice e studentessa di dottorato in ingegneria chimica e biomolecolare presso l’Ohio State. Kucinic ha guidato il team di ricercatori nella realizzazione e caratterizzazione delle nanostrutture progettate dal software.
I dispositivi creati dal team includevano bracci robotici con artigli e una struttura di cento nanometri che assomiglia a un aeroplano. Quest’ultimo è 1000 volte più piccolo della larghezza di un singolo capello umano.
Questi dispositivi potrebbero dimostrare di avere grandi implicazioni nel settore sanitario.
“Un dispositivo più complesso può non solo rilevare che sta accadendo qualcosa di brutto, ma può anche reagire rilasciando un farmaco o catturando l’agente patogeno”, ha detto Castro
“Vogliamo essere in grado di progettare robot che rispondano in un modo particolare a uno stimolo o che si muovano in un certo modo.”
“C’è sempre più interesse commerciale per la nanotecnologia del DNA”, ha continuato. “Penso che nei prossimi 5-10 anni inizieremo a vedere applicazioni commerciali di nanodispositivi DNA e siamo ottimisti sul fatto che questo software possa aiutare a guidarlo”.
