DNA纳米机器人的设计仅仅需要几分钟而并非几天

诸平

This 'airplane', made of strands of DNA, is 1000 times smaller than the width of a human hair. (Image: Ohio State University)

据美国俄亥俄州立大学（Ohio State University）2021年4月19日提供的消息，科学家相信，有一天，基于DNA的微型机器人和其他纳米设备将在我们体内传递药物，检测致命病原体的存在，并帮助制造越来越小的电子设备。研究人员朝着其未来已经迈出了一大步，开发出了一种新工具，该工具可以设计比以前更复杂的DNA机器人和纳米设备。DNA机器人的设计只需几分钟，而不是需要几天时间就可以完成，而且新软件将允许创建更复杂的微型设备。相关研究结果于2021年4月19日已经在《自然材料》（Nature Materials）杂志网站发表——Chao-Min Huang, Anjelica Kucinic, Joshua A. Johnson, Hai-Jun Su, Carlos E. Castro. Integrated computer-aided engineering and design for DNA assemblies. Nature Materials, 2021; DOI: 10.1038/s41563-021-00978-5. Published: 19 April 2021

在此论文中，由前工程博士生黄朝敏（Chao-Min Huang音译）领导的俄亥俄州立大学的研究人员推出了一种名为MagicDNA的新软件。该软件可帮助研究人员设计方法，以获取微小的DNA链，并将其结合成复杂的结构，且具有诸如转子和铰链之类的部件，这些部件可以移动并完成各种任务，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，研究人员一直在使用较慢的工具和繁琐的手动步骤来进行此操作。 “但是现在，过去可能要花几天时间才能完成设计的纳米器件现在只需要几分钟即可完成。”并且，研究人员现在可以制造出更加复杂且有用的纳米设备。

这项研究的合著者之一，俄亥俄州立大学机械与航空航天工程学教授苏海钧（Hai-Jun Su音译）说：“以前，我们最多可以制造具有大约6个独立组件的设备，并将它们与关节和铰链连接起来，试图使它们执行复杂的运动。”“使用此软件，制造具有多达20个组件的机器人或其它易于控制的组件并不难。这是我们设计能够执行我们希望它们执行的复杂动作的纳米设备的能力的重要一步。”

该软件具有多种优势，可以帮助科学家设计出更好、更有用的纳米器件，而且-研究人员希望-可以缩短它们在日常使用中的时间。优点之一是，它使研究人员可以真正地以3D方式进行整个设计。早期的设计工具仅允许2D创作，这迫使研究人员将其创作映射到3D中。这意味着设计师不能使他们的设备过于复杂。该软件还允许设计人员构建“自下而上”或“自上而下”的DNA结构。在“自下而上”的设计中，研究人员获取DNA的各个链，并决定如何将其组织成所需的结构，从而可以对本地设备的结构和属性进行精细控制。但是他们也可以采用“自上而下”的方法，在此方法中，他们需要决定如何对整个设备进行几何造型，然后使DNA链如何自动组合在一起。

卡洛斯·卡斯特罗说，将两者结合起来可以增加整体几何形状的复杂性，同时保持对单个零件属性的精确控制。

该软件的另一个关键要素是，它可以模拟设计的DNA设备在现实世界中的移动和运行方式。

卡洛斯·卡斯特罗说：“随着这些结构变得更加复杂，很难准确地预测它们的外观和行为方式。”“能够模拟我们的设备实际运行方式至关重要。否则，我们会浪费大量时间。”

为了证明该软件的功能，俄亥俄州立大学化学和生物分子工程的博士研究生，也是上述论文的合著者Anjelica Kucinic，他带领研究人员制作和表征了该软件设计的许多纳米结构。

他们创造的一些设备包括带有爪子的机械臂，可以抓起较小的物品，还有一个100 nm大小的结构，看起来像一架飞机，但是这架“飞机”比人的头发还要细1000倍（见上图所示）。

卡洛斯·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，甚至可以在一台设备上执行多项任务。例如，拥有一台DNA机器人，将其注入血液后，可以对某种病原体进行检测等。他说：“但是，更复杂的设备不仅可以检测到正在发生的不良情况，还可以通过释放药物或捕获病原体来做出反应。”“我们希望能够设计对刺激做出特定反应或以特定方式运动的机器人。”

卡洛斯·卡斯特罗预计在未来几年中，MagicDNA软件将在大学和其他研究实验室中使用。但是它的用途可能会在将来扩展。他说：“DNA纳米技术（DNA nanotechnology）越来越受到商业关注。” “我认为在未来的五到十年中，我们将开始看到DNA纳米设备的商业应用，我们对该软件可以帮助推动这一发展感到乐观。”上述介绍仅供参考，欲了解更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Recently, DNA has been used to make nanodevices for a myriad of applications across fields including medicine, nanomanufacturing, synthetic biology, biosensing and biophysics. However, current DNA nanodevices rely primarily on geometric design, and it remains challenging to rationally design functional properties such as force-response or actuation behaviour. Here we report an iterative design pipeline for DNA assemblies that integrates computer-aided engineering based on coarse-grained molecular dynamics with a versatile computer-aided design approach that combines top-down automation with bottom-up control over geometry. This intuitive framework allows for rapid construction of large, multicomponent assemblies from three-dimensional models with finer control over the geometrical, mechanical and dynamical properties of the DNA structures in an automated manner. This approach expands the scope of structural complexity and enhances mechanical and dynamic design of DNA assemblies.