DNA机器人设计只需几分钟，而不是几天

研究人员通过开发一种新工具，向未来迈出了一大步，这种工具可以在很短的时间内设计出比以往任何时候都复杂得多的DNA机器人和纳米设备。

在今天(2021年4月19日)发表在该杂志上的一篇论文中自然材料在美国，俄亥俄州立大学的研究人员——由前工程学博士生黄朝敏(Chao-Min Huang)领导——发布了他们称之为MagicDNA的新软件。

该软件帮助研究人员设计方法，提取微小的DNA链，并将它们组合成复杂的结构，包括可以移动并完成各种任务的转子和铰链，包括药物输送。

这项研究的合著者、俄亥俄州立大学机械与航空航天工程副教授卡洛斯·卡斯特罗(Carlos Castro)说，多年来，研究人员一直在用速度较慢的工具和繁琐的手动步骤进行这项研究。

卡斯特罗说:“但现在，以前需要我们花几天时间设计的纳米设备，现在只需要几分钟。”

现在，研究人员可以制造出更复杂、更有用的纳米器件。

研究报告的合著者、俄亥俄州立大学机械与航空航天工程教授苏海军(Hai-Jun Su)说:“以前，我们可以制造多达六个独立部件的设备，并将它们与关节和铰链连接起来，并尝试让它们执行复杂的运动。”

“有了这个软件，制造出拥有20多个部件的机器人或其他设备并不难，这些部件更容易控制。这是我们在设计能够执行我们想要的复杂动作的纳米设备方面迈出的一大步。”

该软件具有多种优势，可以帮助科学家设计出更好、更有用的纳米设备，并且——研究人员希望——缩短它们投入日常使用的时间。

它的一个优点是，研究人员可以真正地以3D方式进行整个设计。早期的设计工具只允许在2D中进行创作，这迫使研究人员将他们的创作映射到3D中。这意味着设计师不能让他们的设备太复杂。

该软件还允许设计师“自底向上”或“自顶向下”构建DNA结构。

在“自底向上”设计中，研究人员获取单个DNA链，并决定如何将它们组织成他们想要的结构，这允许对局部设备的结构和特性进行精细控制。

但他们也可以采用“自顶向下”的方法，即决定整体设备的几何形状，然后自动将DNA链组合在一起。

Castro说，将两者结合起来，可以增加整体几何结构的复杂性，同时保持对单个组件属性的精确控制。

该软件的另一个关键元素是，它允许模拟设计的DNA设备如何在现实世界中移动和运行。

卡斯特罗说:“随着这些结构变得越来越复杂，很难准确预测它们将会是什么样子，以及它们将如何表现。”

“能够模拟我们的设备实际运行方式是至关重要的。否则，我们会浪费很多时间。”

为了证明该软件的能力，论文的合著者、俄亥俄州立大学化学和生物分子工程专业的博士生Anjelica Kucinic带领研究人员制作并表征了许多由该软件设计的纳米结构。

他们创造的一些设备包括带爪的机械臂，可以拿起更小的物品，以及一个看起来像飞机的100纳米大小的结构(“飞机”比人类头发的宽度小1000倍)。

卡斯特罗说，制造更复杂的纳米设备的能力意味着它们可以做更多有用的事情，甚至可以用一个设备执行多项任务。

例如，有一个DNA机器人，在注入血液后，可以检测某种病原体。

“但更复杂的设备不仅可以检测到不好的事情正在发生，还可以通过释放药物或捕获病原体来做出反应，”他说。

“我们希望能够设计出能够以特定方式对刺激做出反应或以特定方式移动的机器人。”

卡斯特罗说，他预计在未来几年，MagicDNA软件将被用于大学和其他研究实验室。但它的用途在未来可能会扩大。

“对DNA纳米技术的商业兴趣越来越大，”他说。“我认为在未来5到10年，我们将开始看到DNA纳米设备的商业应用，我们乐观地认为，这款软件可以帮助推动这一应用。”