Udtryk dig selv:Forskere bruger genetisk algoritme til at designe selvsamlende ssDNA-podede partikler

(Phys.org) — Materialedesign følger normalt det, der er kendt som Edisonsk metode , en traditionel proces præget af trial-and-error opdagelse snarere end en systematisk teoretisk tilgang. Selvom dette kan være noget unøjagtigt - Edison gjorde brug af tilgængelige teorier og tyede til forsøg og fejl kun, når der ikke eksisterede en tilstrækkelig teori - et bedre alternativ er en a priori tilgang, hvor ønskede egenskaber defineres og tilsvarende strukturer udformes. Til det formål, forskere ved Columbia University – Department of Chemical Engineering og Brookhaven National Laboratory (BNL) har for nylig skabt en designtilgang, hvor kolloider podet med enkeltstrenget DNA selv samles til ønskede strukturer. Forskerne siger, at deres metodologi let kan generaliseres, er hurtig og meget selektiv, gengiver nøjagtigt de parametre, der er relevante for fire aktuelt realiserede krystaller, men belyser også – overraskende nok – fire aktuelt uobserverede strukturer. Mens forskerne erkender, at disse strukturer skal valideres eksperimentelt, de er overbeviste om, at deres metode har brede potentielle anvendelser.

Prof. Venkat Venkatasubramanian diskuterede papiret, at han, Prof. Sanat Kumar, Prof. Babji Srinivasan, Thi Vo fra Columbia, og deres medforfattere, Dr. Oleg Gang og Dr. Yugang Zhang fra BNL, udgivet for nylig i Proceedings of the National Academy of Sciences . "Design af DNA-podede nanopartikler er udfordrende, fordi en række eksperimentelle parametre kan spille en nøglerolle i selvsamling, " fortæller Venkatasubramanian Phys.org . "Parameterrumstørrelse kan derfor blive meget stor, med et stort antal lokale minima, hvilket gør det meget svært – hvis ikke umuligt – effektivt at søge i rummet på en edisonsk trial-and-error-måde." Forskernes genetiske algoritme omvendte designramme søger rummet mere systematisk, gør designprocessen mere effektiv. (En genetisk algoritme, eller GA, efterligner processen med naturlig udvælgelse.)

Når det er sagt, imidlertid, Venkatasubramanian tilføjer, at en anden udfordring i deres tilgang er, at de kræver pålidelige fremadrettede modeller. "Mens detaljerede modeller af DNA-medieret selvsamling har tendens til at være mere nøjagtige, de vil typisk kræve simuleringstider fra flere timer til et par dage, og ville derfor ikke være egnet til kobling med den genetiske algoritme for rationelt design." Forskerne valgte derfor en enklere komplementær kontaktmodel (CCM) baseret på de forudsigelige og veletablerede egenskaber af både DNA (persistenslængde, stigning pr. basepar) og DNA-NP'er (antal DNA-strenge pr. partikel, hybridiseringsadfærden af ​​klæbrige ender) ¹ . "CCM har haft ret stor succes med at fange størstedelen af ​​de eksperimentelle observationer, " tilføjer han, "og være hurtig, det giver mulighed for effektiv GA-kobling, generere forudsigelser af de nødvendige designparametre i løbet af få minutter."

Kumar bemærker, at eksperimentel validering af deres tilgang er en anden, og meget vigtigt, udfordring. "Vi besluttede at teste vores rammer ved først at forsøge at forudsige nanokrystalstrukturer, der allerede er blevet observeret eksperimentelt. Dernæst, vi skabte et bibliotek af krystalstrukturer – inklusive dem opnået eksperimentelt – med specificering af de relevante eksperimentelle parametre, såsom DNA-linkerforhold og størrelsen af ​​de DNA-podede nanopartikler. Derefter kørte vi den genetiske algoritme for en ønsket krystalstruktur, som er blevet observeret eksperimentelt, bruge CCM som en fremadrettet model. Vi var glade for, at den genetiske algoritme korrekt forudsagde de eksperimentelle parametre, der blev brugt i dannelsen af ​​den observerede struktur."

Srinivasan, avisens anden medforfatter, anerkender, at den fremadrettede CCM-model, der anvendes i GA-rammen, i øjeblikket har visse begrænsninger. "Det forudsætter fuldstændig DNA-hybridisering inden for kontaktområderne mellem to DNA-podede partikler som værende drivkraften bag selvsamling, " forklarer han. "I det væsentlige, dette begrænser analysen til rent attraktive interaktionseffekter. For at give et mere komplet entalpisk billede, vi planlægger at bygge frastødende interaktioner mellem de ikke-komplementære ssDNA-linkere på nanopartiklerne." Entalpi er et mål for den samlede energi i et termodynamisk system.

"Desuden, "Srinivasan fortsætter, "entropi giver også en begrænsning på det faktiske antal hybridiserede linkere inden for nanopartikelinteraktionsområdet, samt en omkostning på konfigurationen af ​​partikler inden for gitteret – som begge er ved at blive indbygget i modellen. Ud over, den nuværende CCM definerer ikke altid en krystalstruktur entydigt." F.eks. han illustrerer, CCM kan ikke skelne mellem strukturerne af CuAu (en kobber/guld-legering) og CsCl (cæsiumchlorid), da begge krystaller i enhedscellen har samme antal nærmeste naboer og partikelfordeling. "Dette giver anledning til degenerationer, som vi planlægger at løse ved yderligere at forfine interaktionstyperne i et krystalgitter."

At tackle disse udfordringer var i sig selv ingen ringe bedrift. "Vores designproblem kompliceres af de komplekse ikke-lineære forhold mellem kolloidstørrelsesforhold, antallet af DNA-linkere på hver nanopartikel og den ønskede krystalstruktur, Venkatasubramanian siger til Phys.org. "Dette fører til et søgerum fyldt med lokale minima, som er vanskeligt at udforske ved hjælp af mere konventionelle tilgange såsom trail-and-error, heuristik eller matematiske programmeringsmetoder." Den vigtigste innovation her er den omvendte designramme, der effektivt udnytter viden fra CCM (også kendt som en fremadrettet model) ved at kombinere den med den genetiske algoritme (som er mere robust over for lokale minima), hvilket resulterer i en meget effektiv og skalerbar designoptimeringsprocedure. "Genetiske algoritmer er, hvordan naturen designede komplicerede molekyler og organismer. Vi skaber i bund og grund situationer, hvor vi tillader 'genpuljen' af DNA-podningsparametre at udvikle sig mod det ønskede – dvs. 'fittest' – struktur med hver efterfølgende generation."

Kumar påpeger også, at de introducerede den meget vigtige analyse af klyngedannelsesbestemmelse. "CCM'en kræver et indledende input af krystalgitterparametre og antager således krystaldannelse givet eventuelle DNA-podningsparametre. eksperimentelt, der er store områder med klyngedannelse, der er resultatet af den kinetiske fangst af disse partikler i en metastabil tilstand under selvsamlingsprocessen. For at forhindre design falder inden for grænserne af disse klyngedannende regimer, vi udførte en symmetrianalyse af modellen, der tegner sig for ulige fordeling af DNA-linkere på partikler." Med andre ord, ved at indføre en cutoff på denne fordeling, forskerne var i stand til at identificere tilstedeværelsen af ​​amorfe områder og klyngeområder, som blev observeret tidligere i eksperimenter. "Dette giver så mulighed for fremtidige ændringer af rammen for at inkorporere en ekstra parameter i fitnessfunktionen, " tilføjer han, "sådan, at den vil genkende og undgå disse 'dårlige' evolutionære veje."

I øjeblikket, ved at have et andet formål sammenlignet med DNA-hybridisering, holdet inkluderer nye parametre i modellen for at forbedre CCM med entropiske bidrag og frastødende interaktioner. "Foreløbige eksperimentelle undersøgelser har vist, at vores raffinerede model er i overensstemmelse med eksperimentelle resultater, " Srinivasan og Thi Vo bemærker, "og der udføres i øjeblikket en grundig analyse for at udvikle en model, der unikt vil specificere alle 230 forskellige krystalrumsgrupper, som derefter vil blive brugt sammen med den genetiske algoritme-tilgang til krystalgitterdesign. Vores ultimative mål er at skabe modellen på en sådan måde, at den kun bruger parametrene, der definerer de DNA-podede partikler." Nøglepunktet her er, at dette undgår behovet for tilpasningskonstanter, mens vi udvider vores overordnede designkapaciteter, da designparametrene afledt af den genetiske algoritmeramme kun vil involvere faktorer, som forskerne eksperimentelt kan kontrollere.

Et interessant og uventet resultat var, at deres resultater belyste fire i øjeblikket uobserverede strukturer. "Blandt krystalgitterbiblioteket oprettet ved hjælp af Inorganic Crystal Structure Database (ICSD), vi var i stand til at identificere de parametre, der potentielt kunne føre til dannelsen af ​​fire nye krystalstrukturer sammen med dem, der er blevet observeret eksperimentelt, Srinivasan og Vo fortæller. "Disse resultater er lovende og spiller en nøglerolle i designet af DNA-podede nanomaterialer." Han tilføjer, at rammen er generisk og kan udvides til rationelt design af avancerede materialer - men med en forsigtighed, der i modsætning til molekylær dynamiske modeller, den fremadrettede model bør være beregningsmæssig effektiv, samtidig med at den tager højde for vigtige aspekter af processen. "Vi mener, at vores forbedrede CCM-tilgang burde være i stand til at hjælpe os med at designe strukturer, der potentielt kan scanne hele det krystallografiske rum."

Med hensyn til at forbedre den nuværende generiske algoritme, Kumarsays, at den nuværende CCM har to kontinuerte variabler, der er optimeret til ønskede krystalstrukturer. "Imidlertid, " påpeger han, "med vores planlagte CCM-forbedringer, dette søgeområde bliver endnu større, og som nævnt fyldt med lokale minima, der kunne føre til tvetydige resultater. Vi planlægger at bruge hybrid genetisk, algoritmer, der bruger GA i kombination med traditionelle ikke-lineære optimeringstilgange til at lokalisere de globale minima i det store søgerum af eksperimentelle parametre."

Bevæger sig fremad, Kumar siger, at andre innovationer, du kan udvikle, bortset fra at have ssDNA-podede nanopartikler med sfærisk form, holdets samarbejdspartnere fra Brookhaven National Laboratory (og medforfattere til det aktuelle værk) har udført eksperimenter, der introducerer eksterne motiver af forskellige former og dets effekt på den endelige krystalstruktur. "Forskellige former vil give os mulighed for at kontrollere interaktionsområdet og størrelsen mellem partikler, og derved danner krystalgitre, der i øjeblikket er utilgængelige ved at bruge sfæriske partikler. Vi er allerede ved at undersøge disse eksperimenter og udvikle strategier, der kan bruges i design af forskellige nanokrystalgitre, " forklarer han.

"Vores nuværende forskning fokuserer på at udvikle entropi-baserede modeller til entydigt at definere krystalgitre, der ville forklare dannelsen af ​​DNA-podede nanomaterialer, " Kumar fortsætter. "Eksperimenter vil validere denne model, som så vil blive brugt i rationelt design med GA-rammerne. Ud over, vi planlægger at udvide denne rationelle designstrategi til krystalstrukturer med eksterne motiver, der hjælper med selvsamling."

At adressere andre forskningsområder, der kan drage fordel af deres undersøgelse, Venkatasubramanian siger, at forskerne har brug for et nyt paradigme, der øger idéstrømmen, udvider søgehorisonten, og arkiverer viden fra dagens succeser for at accelerere fremtidens. "Vores rammer løser denne udfordring, og i en vis forstand, vi udnytter, hvordan naturen opdager nye materialer gennem den darwinistiske model for evolution ved passende at kombinere det med beregningsmetoder. Det er Darwin på steroider! Denne tilgang kan potentielt revolutionere materialedesign, " konkluderer han, "påvirker en bred vifte af produkter, der påvirker vores daglige liv, fra lægemidler og landbrugskemikalier såsom pesticider eller herbicider til brændstoftilsætningsstoffer, maling og lak, og endda produkter til personlig pleje som shampoo."

© 2013 Phys.org. Alle rettigheder forbeholdes.