Robôs de DNA projetados em minutos em vez de dias
Novo software permitirá a criação de dispositivos mais complexos. Algum dia, acreditam os cientistas, minúsculos robôs baseados em DNA e outros nanodispositivos fornecerão remédios dentro de nossos corpos, detectarão a presença de patógenos mortais e ajudarão a fabricar aparelhos eletrônicos cada vez menores.
Os pesquisadores deram um grande passo em direção a esse futuro ao desenvolver uma nova ferramenta que pode projetar robôs e nanodispositivos de DNA muito mais complexos do que jamais foi possível antes em uma fração do tempo.
Em um artigo publicado hoje (19 de abril de 2021) na revista Nature Materials , pesquisadores da The Ohio State University - liderados pelo ex-aluno de doutorado em engenharia Chao-Min Huang - revelaram um novo software que eles chamam de MagicDNA.
O software ajuda os pesquisadores a projetar maneiras de pegar filamentos minúsculos de DNA e combiná-los em estruturas complexas com partes como rotores e dobradiças que podem se mover e completar uma variedade de tarefas, incluindo a administração de medicamentos.
Os pesquisadores vêm fazendo isso há vários anos com ferramentas mais lentas com etapas manuais tediosas, disse Carlos Castro, co-autor do estudo e professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial no estado de Ohio.
"Mas agora, os nanodispositivos que antes demoravam vários dias para serem projetados agora levam apenas alguns minutos", disse Castro.
E agora os pesquisadores podem fazer nanodispositivos muito mais complexos - e úteis.
"Anteriormente, podíamos construir dispositivos com até cerca de seis componentes individuais e conectá-los a juntas e dobradiças e tentar fazê-los executar movimentos complexos", disse o co-autor do estudo Hai-Jun Su, professor de engenharia mecânica e aeroespacial na Ohio State .
"Com este software, não é difícil fazer robôs ou outros dispositivos com mais de 20 componentes que são muito mais fáceis de controlar. É um grande passo em nossa capacidade de projetar nanodispositivos que podem realizar as ações complexas que queremos que eles façam . "
O software tem uma variedade de vantagens que ajudarão os cientistas a projetar nanodispositivos melhores e mais úteis e - os pesquisadores esperam - reduzir o tempo antes de entrarem no uso diário.
Uma vantagem é que permite aos pesquisadores realizar todo o projeto verdadeiramente em 3D. As ferramentas de design anteriores permitiam apenas a criação em 2D, forçando os pesquisadores a mapear suas criações em 3D. Isso significava que os designers não podiam tornar seus dispositivos muito complexos.
O software também permite que os designers construam estruturas de DNA "de baixo para cima" ou "de cima para baixo".
No design "de baixo para cima", os pesquisadores pegam fitas individuais de DNA e decidem como organizá-las na estrutura que desejam, o que permite um controle preciso sobre a estrutura e as propriedades locais do dispositivo.
Mas eles também podem adotar uma abordagem "de cima para baixo", onde decidem como seu dispositivo geral precisa ser moldado geometricamente e, em seguida, automatizam como as fitas de DNA são colocadas juntas.
Combinar os dois permite aumentar a complexidade da geometria geral, mantendo o controle preciso sobre as propriedades individuais dos componentes, disse Castro.
Outro elemento-chave do software é que ele permite simulações de como os dispositivos de DNA projetados se moveriam e operariam no mundo real.
“À medida que você torna essas estruturas mais complexas, é difícil prever exatamente como elas serão e como se comportarão”, disse Castro.
"É fundamental poder simular como nossos dispositivos irão realmente operar. Caso contrário, perderemos muito tempo."
Como demonstração da capacidade do software, a co-autora Anjelica Kucinic, estudante de doutorado em engenharia química e biomolecular no estado de Ohio, liderou os pesquisadores na fabricação e caracterização de muitas nanoestruturas projetadas pelo software.
Alguns dos dispositivos que eles criaram incluíam braços de robô com garras que podem pegar itens menores e uma estrutura do tamanho de cem nanômetros que se parece com um avião (o "avião" é 1000 vezes menor que a largura de um cabelo humano).
A capacidade de fazer nanodispositivos mais complexos significa que eles podem fazer coisas mais úteis e até realizar várias tarefas com um único dispositivo, disse Castro.
Por exemplo, uma coisa é ter um robô de DNA que, após a injeção na corrente sanguínea, pode detectar um determinado patógeno.
"Mas um dispositivo mais complexo pode não apenas detectar que algo ruim está acontecendo, mas também pode reagir liberando uma droga ou capturando o patógeno", disse ele.
"Queremos ser capazes de projetar robôs que respondam de uma maneira particular a um estímulo ou se movam de uma determinada maneira."
Castro disse esperar que, nos próximos anos, o software MagicDNA seja usado em universidades e outros laboratórios de pesquisa. Mas seu uso pode se expandir no futuro.
“Está começando a haver cada vez mais interesse comercial na nanotecnologia de DNA”, disse ele. “Acho que nos próximos cinco a 10 anos começaremos a ver aplicações comerciais de nanodispositivos de DNA e estamos otimistas de que este software pode ajudar a impulsionar isso”.
Fonte da história:
Materiais fornecidos pela Ohio State University . Original escrito por Jeff Grabmeier. Nota: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e comprimento.
Referência do jornal :
- Chao-Min Huang, Anjelica Kucinic, Joshua A. Johnson, Hai-Jun Su, Carlos E. Castro. Engenharia e projeto auxiliados por computador integrados para montagens de DNA . Nature Materials , 2021; DOI: 10.1038 / s41563-021-00978-5
Cite esta página :
Universidade Estadual de Ohio. "Robôs de DNA projetados em minutos em vez de dias: o novo software permitirá a criação de dispositivos mais complexos." ScienceDaily. ScienceDaily, 19 de abril de 2021.