DNA-nanobots bygger sig selv:Hvordan kan vi hjælpe dem med at vokse på den rigtige måde?

UNSW-forskere har overvundet en stor designudfordring på vejen til at kontrollere dimensionerne af såkaldte DNA-nanobots – strukturer, der samler sig selv af DNA-komponenter.

Selvsamlende nanorobotter kan lyde som science fiction, men ny forskning i DNA-nanoteknologi har bragt dem et skridt tættere på virkeligheden. Fremtidige nanobot-brugssager vil ikke kun udspille sig på den lille skala, men omfatter større applikationer inden for det sundheds- og medicinske område, såsom sårheling og tilstopning af arterier.

Forskere fra UNSW, med kolleger i Storbritannien, har udgivet en ny designteori i ACS Nano om, hvordan man kontrollerer længden af ​​selvsamlende nanobots i fravær af en form, eller skabelon.

"Traditionelt bygger vi strukturer ved manuelt at samle komponenter til det ønskede slutprodukt. Det fungerer ganske godt og nemt, hvis delene er store, men som du bliver mindre og mindre, det bliver sværere at gøre dette, " siger hovedforfatter Dr. Lawrence Lee fra UNSW Medicine's Single Molecule Science.

Medicinske forskere er allerede i stand til at bygge robotter i nanoskala, der kan programmeres til at udføre meget små opgaver, som at placere små elektriske komponenter eller levere lægemidler til kræftceller.

Hos UNSW, forskere bruger biologiske molekyler - som DNA - til at bygge disse nanorobotter. I en proces kaldet molekylær selvsamling, små individuelle komponentdele bygger sig selv ind i større strukturer.

Udfordringen med at bruge selvsamling til at bygge er at finde ud af, hvordan man programmerer byggeklodserne til at bygge den ønskede struktur, og få dem til at stoppe, når strukturen er lang eller høj nok.

Til dette projekt, UNSW-forskerne implementerede deres design ved at syntetisere DNA-underenheder, kaldet PolyBricks. Som det sker i naturlige systemer, byggeklodserne er hver kodet med masterplanerne til selv at samles til foruddefinerede strukturer af fastsat længde.

Dr. Lee sammenligner PolyBricks med mikrobotterne i scifi-filmen Big Hero Six, hvor mikrobots selv samler sig i et væld af forskellige formationer.

"I filmen den ultimative robot er en flok identiske underenheder, der kan instrueres i at samle sig selv til enhver ønsket global form, " siger Dr. Lee.

Forfatterne brugte et designprincip kendt som belastningsakkumulering til at kontrollere dimensionerne af deres byggede strukturer.

"For hver blok vi tilføjer, belastningsenergi akkumuleres mellem PolyBricks, indtil energien i sidste ende er for stor til, at flere blokke kan binde. Dette er det tidspunkt, hvor underenhederne vil stoppe med at samles, " siger Dr. Lee.

For at kontrollere længden af ​​den endelige struktur - dvs. hvor mange PolyBricks er sat sammen - forskerholdet ændrede sekvensen i deres DNA-design for at regulere, hvor meget belastning der tilføjes med hver ny blok.

"Vores teori kan hjælpe forskere med at designe andre måder at bruge belastningsakkumulering til at kontrollere de globale dimensioner af åbne selvsamlinger, " siger Dr. Lee.

Forfatterne siger, at denne mekanisme kunne bruges til at kode mere komplekse former ved hjælp af selvsamlende enheder.

"Det er denne type grundlæggende forskning i, hvordan vi organiserer stof på nanoskala, der vil føre os til den næste generation af nanomaterialer, nanomedicin, og nanoelektronik, " siger Ph.D.-kandidat og hovedforfatter, Dr. Jonathan Berengut.