UNSW-onderzoekers hebben een grote ontwerpuitdaging overwonnen op weg naar het beheersen van de afmetingen van zogenaamde DNA-nanobots - structuren die zichzelf samenstellen uit DNA-componenten.

Zelfassemblerende nanorobots klinken misschien als sciencefiction, maar nieuw onderzoek in DNA-nanotechnologie heeft ze een stap dichter bij de realiteit gebracht. Toekomstige toepassingen van nanobots spelen niet alleen op kleine schaal, maar omvatten grotere toepassingen op gezondheids- en medisch gebied, zoals wondgenezing en ontstoppen van slagaders.

Onderzoekers van UNSW, met collega's in het VK, hebben een nieuwe ontwerptheorie gepubliceerd in ACS Nano over hoe de lengte van zelfassemblerende nanobots te controleren in afwezigheid van een mal, of sjabloon.

"Traditioneel bouwen we constructies door componenten handmatig te assembleren tot het gewenste eindproduct. Dat werkt vrij goed en gemakkelijk als de onderdelen groot zijn, maar naarmate je kleiner en kleiner wordt, het wordt moeilijker om dit te doen, " zegt hoofdauteur Dr. Lawrence Lee van UNSW Medicine's Single Molecule Science.

Medische onderzoekers zijn al in staat om robots op nanoschaal te bouwen die kunnen worden geprogrammeerd om zeer kleine taken uit te voeren, zoals het plaatsen van kleine elektrische componenten of het afleveren van medicijnen aan kankercellen.

Bij UNSW, onderzoekers gebruiken biologische moleculen, zoals DNA, om deze nanorobots te bouwen. In een proces dat moleculaire zelfassemblage wordt genoemd, kleine afzonderlijke componenten bouwen zichzelf op tot grotere structuren.

De uitdaging bij het gebruik van zelfassemblage om te bouwen, is uitzoeken hoe de bouwstenen moeten worden geprogrammeerd om de gewenste structuur te bouwen, en om ze te laten stoppen wanneer de structuur lang of hoog genoeg is.

Voor dit project, de UNSW-onderzoekers implementeerden hun ontwerp door DNA-subeenheden te synthetiseren, genaamd PolyBricks. Zoals in natuurlijke systemen gebeurt, de bouwstenen zijn elk gecodeerd met de masterplannen om zelf te assembleren tot vooraf gedefinieerde structuren van een bepaalde lengte.

Dr. Lee vergelijkt de PolyBricks met de microbots in de scifi-film Big Hero Six, waar microbots zichzelf assembleren tot een veelvoud aan verschillende formaties.

"In de film, de ultieme robot is een stel identieke subeenheden die kunnen worden geïnstrueerd om zichzelf te assembleren tot elke gewenste globale vorm, " zegt dr. Lee.

De auteurs gebruikten een ontwerpprincipe dat bekend staat als spanningsaccumulatie om de afmetingen van hun gebouwde constructies te regelen.

"Met elk blok dat we toevoegen, spanningsenergie accumuleert tussen de PolyBricks, totdat uiteindelijk de energie te groot is om nog meer blokkades te binden. Dit is het punt waarop de subeenheden stoppen met assembleren, " zegt Dr. Lee.

Om de lengte van de uiteindelijke structuur te regelen, d.w.z. hoeveel PolyBricks zijn samengevoegd - het onderzoeksteam heeft de sequentie in hun DNA-ontwerp aangepast om te regelen hoeveel spanning er bij elk nieuw blok wordt toegevoegd.

"Onze theorie zou onderzoekers kunnen helpen bij het ontwerpen van andere manieren om spanningsaccumulatie te gebruiken om de globale dimensies van open zelfassemblages te beheersen, " zegt Dr. Lee.

De auteurs zeggen dat dit mechanisme kan worden gebruikt om complexere vormen te coderen met behulp van zelfassemblage-eenheden.

"Het is dit soort fundamenteel onderzoek naar hoe we materie op nanoschaal organiseren dat ons naar de volgende generatie nanomaterialen zal leiden, nanomedicijnen, en nano-elektronica, " zegt promovendus en hoofdauteur, Dr. Jonathan Berengut.