Als het gaat om het creëren van nanotechnologie, men kan het niet eenvoudig met hun handen bouwen. In plaats daarvan, onderzoekers hebben iets van nanoformaat nodig dat zichzelf kan assembleren. DNA-origami is een methode om vormen van nanogrootte te maken door DNA-strengen te vouwen. Hiermee kunnen nanomachines worden gemaakt, sensoren, en nanorobots voor gebruik op gebieden variërend van biofysica tot fysiek computergebruik.

Echter, het ontwerpproces achter deze structuren vereist dat de ontwerper van tevoren bedenkt hoe het eindproduct eruitziet en complexe structuren stuk voor stuk ontwerpt uit enkele DNA-strengen. Dit proces is extreem tijdrovend en beperkt de mogelijke ontwerpruimte die kan worden verkend.

In recente jaren, semi-automatische tools zijn vrijgegeven om het ontwerpproces te ondersteunen, en deze tools hebben de gebruikersmogelijkheden enorm uitgebreid. Echter, er bestonden geen volledig geautomatiseerde ontwerptools om de meerlagige DNA-origamistructuren te creëren die de meeste DNA-origami-ontwerpen bevatten die tegenwoordig worden gebruikt.

"Er is een efficiëntere en krachtigere manier om deze structuren te ontwerpen, " zegt Rebecca Taylor, een assistent-professor werktuigbouwkunde. "Dit gebrek aan geautomatiseerde mogelijkheden om meerlagige DNA-origami te genereren, was een grote behoefte van het veld."

Een nieuwe benadering van DNA-origami-ontwerp kwam van een interdisciplinair onderzoeksteam bij CMU. Tito Babatunde, een werktuigbouwkunde Ph.D. student, stelde een nieuwe manier voor om ontwerpen van DNA-origami-nanostructuren te genereren en te optimaliseren. Geadviseerd door Rebecca Taylor en Jonathan Cagan, ze combineerde hun expertise om het ontwerp van nanostructuren aan te pakken.

"We hebben hier een echt interdisciplinaire benadering, " zei Cagan, hoogleraar werktuigbouwkunde. "We namen twee afzonderlijke velden en realiseerden ons dat ze elkaar overlappen en iets bieden dat echt uniek is en mogelijkheden kan vergroten."

Cagan was de pionier van een generatieve computationele benadering die vormgloeien wordt genoemd. Vormgloeien wordt gebruikt om complexe structuren te ontwerpen door een breed scala aan ontwerpen te onderzoeken voordat de beste wordt gekozen. Deze aanpak zorgt ervoor dat onderzoekers geen tijd of materiaal hoeven te verspillen aan foutieve ontwerpen. In dit project, Babatunde combineert vormgloeien met de fundamentele manier waarop DNA kan worden samengevoegd en gevormd.

DNA volgt een reeks eenvoudige regels die bepalen welke verbindingen kunnen paren. Omdat de regels goed worden begrepen, onderzoekers kunnen profiteren van hun voorspelbaarheid. Onderzoekers beginnen met een enkele DNA-streng en "nieten" deze in een gewenste 2D- of 3D-vorm. Zodra dit proces is voltooid, de DNA-nanostructuur fungeert als een steiger voor het laatste stukje nanotechnologie.

In hun krant Babatunde en haar team laten zien dat dit ontwerpproces voor verschillende vormen werkt. Naast het gebruik van klassieke ontwerpvormen, het team liet zien dat hun programma werkt voor het Stanford-konijntje, een complexe vorm die wordt gebruikt om de flexibiliteit van hun werk te tonen.

Volgende, Babatunde zal het algoritme meer generaliseerbaar maken. Toekomstige projecten kunnen het integreren van meer beperkingen, zoals een buitencoating of mesh. In aanvulling, het team zou hun algoritme in andere situaties kunnen gebruiken of verschillende soorten algoritmen voor DNA-origami kunnen onderzoeken. Babatunde, echter, is het meest enthousiast over het maken van een fysiek stukje nanotechnologie uit de DNA-structuur.

"Ik kijk ernaar uit om niet alleen onze benadering te gebruiken om nanostructuren te ontwerpen, maar ze ook in het laboratorium te bouwen, " zei Babatunde. "Het is door het bouwen van deze innovatieve structuren dat deze technologie de impact zal aantonen van responsieve nanomachines voor medicijnafgifte aan nanomechanische sensoren en nanolithografie."

De krant is gepubliceerd in Toegepaste wetenschappen in de Mechanisch ontwerp in DNA-nanotechnologie speciale uitgave.