Brug af DNA til lille teknologi:Generering af DNA-origami-nanostrukturer gennem formglødning

Når det kommer til at skabe nanoteknologi, man kan ikke bare bygge det med deres hænder. I stedet, forskere har brug for noget i nanostørrelse, der er i stand til at samle sig selv. DNA-origami er en metode til at skabe former i nanostørrelse ved at folde DNA-strenge. Dette kan bruges til at fremstille nanomaskiner, sensorer, og nanorobotter til brug inden for områder lige fra biofysik til fysisk databehandling.

Imidlertid, designprocessen bag disse strukturer kræver, at designeren på forhånd forestiller sig, hvordan det endelige produkt ser ud, og designer komplekse strukturer stykke-for-stykke ud fra enkelte DNA-strenge. Denne proces er ekstremt tidskrævende, og den begrænser det mulige designrum, der kan udforskes.

I de seneste år, semi-automatiserede værktøjer er blevet frigivet til at hjælpe designprocessen, og disse værktøjer har stærkt udvidede brugermuligheder. Imidlertid, Der eksisterede ingen fuldt automatiserede designværktøjer til at skabe de flerlagede DNA-origami-strukturer, der omfatter størstedelen af ​​DNA-origami-designs, der bruges i dag.

"Der er en mere effektiv og kraftfuld måde at designe disse strukturer på, " siger Rebecca Taylor, en adjunkt i maskinteknik. "Denne mangel på automatiseret evne til at generere flerlags DNA-origami har været et stort behov, som feltet har haft."

En ny tilgang til DNA-origami-design kom fra et tværfagligt forskerhold på CMU. Tito Babatunde, en maskiningeniør Ph.D. studerende, foreslået en ny måde at generere og optimere design af DNA origami nanostrukturer. Rådgivet af Rebecca Taylor og Jonathan Cagan, hun kombinerede deres ekspertise for at tackle nanostrukturdesign.

"Vi har en virkelig tværfaglig tilgang her, " sagde Cagan, professor i maskinteknik. "Vi tog to diskrete felter og indså, at de overlapper hinanden og giver noget, der er virkelig unikt og kan fremme kapaciteter."

Cagan var banebrydende for en generativ beregningsmetode kaldet formglødning. Formglødning bruges til at designe komplekse strukturer ved at undersøge en bred vifte af designs, før man beslutter sig for den bedste. Denne tilgang forhindrer forskere i at skulle spilde tid eller materialer på fejlagtige designs. I dette projekt, Babatunde fusionerer form-annealing med den grundlæggende måde, hvorpå DNA kan forbindes og dannes.

DNA følger et sæt simple regler, der dikterer, hvilke forbindelser der kan danne par. Da reglerne er godt forstået, forskere kan udnytte deres forudsigelighed. Forskere starter med en enkelt DNA-streng og "hæfter" den til en ønsket 2D- eller 3D-form. Når denne proces er afsluttet, DNA-nanostrukturen fungerer som et stillads for det sidste stykke nanoteknologi.

I deres papir, Babatunde og hendes team viser, at denne designgenereringsproces fungerer for en række forskellige former. Ud over at bruge klassiske designformer, holdet viste, at deres program virker for Stanford-kaninen, en kompleks form, der bruges til at vise fleksibiliteten i deres arbejde.

Næste, Babatunde vil gøre algoritmen mere generaliserbar. Fremtidige projekter kunne omfatte integration af flere begrænsninger, som en udvendig belægning eller mesh. Ud over, holdet kunne bruge deres algoritme i andre situationer eller udforske forskellige typer algoritmer til DNA-origami. Babatunde, imidlertid, er mest begejstret for at skabe et fysisk stykke nanoteknologi ud fra DNA-strukturen.

"Jeg ser frem til ikke kun at bruge vores tilgang til at designe nanostrukturer, men også at bygge dem i laboratoriet, " sagde Babatunde. "Det er gennem bygningen af ​​disse innovative strukturer, at denne teknologi vil demonstrere virkningen fra responsive nanomaskiner til lægemiddellevering til nanomekaniske sensorer og nanolitografi."

Avisen blev udgivet i Anvendt Videnskab i Mekanisk design i DNA nanoteknologi specialnummer.