科学家们相信，有朝一日，基于 DNA 的微型机器人和其他纳米设备将在我们体内输送药物，检测致命病原体的存在，并帮助制造越来越小的电子产品。研究人员开发了一种新工具，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，从而朝着这个未来迈出了一大步。

在《自然材料》杂志上发表的一篇论文中，来自俄亥俄州立大学的研究人员——由前工程博士生 Chao-Min Huang 领导——推出了他们称之为 MagicDNA 的新软件。

该软件可帮助研究人员设计出获取微小 DNA 链的方法，并将它们组合成复杂的结构，转子和铰链等部件可以移动并完成各种任务，包括药物输送。

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

“但现在，以前可能需要我们几天才能设计的纳米设备现在只需几分钟，”卡斯特罗说。

现在研究人员可以制造更复杂、更有用的纳米设备。

研究合著者、俄亥俄州立大学机械和航空航天工程教授苏海军说：“以前，我们可以制造多达大约六个独立组件的设备，并将它们与关节和铰链连接起来，并尝试使它们执行复杂的运动。” .

“有了这个软件，制造机器人或其他设备并不难，它有超过 20 个组件，更容易控制。这是我们设计能够执行我们希望它们执行的复杂操作的纳米设备的能力的一大步。”

该软件具有多种优势，可以帮助科学家设计更好、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。

一个优势是它允许研究人员真正以 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，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过于复杂。

该软件还允许设计人员“自下而上”或“自上而下”构建 DNA 结构。

在“自下而上”的设计中，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，从而可以对局部设备结构和属性进行精细控制。

但他们也可以采用“自上而下”的方法，他们决定整体设备的几何形状，然后自动化 DNA 链的组合方式。

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

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操作方式。

“当你让这些结构变得更加复杂时，就很难准确预测它们会是什么样子以及它们将如何表现，”卡斯特罗说。

“能够模拟我们的设备实际运行方式至关重要。否则，我们会浪费很多时间。”

作为该软件能力的证明，合著者、俄亥俄州立大学化学和生物分子工程博士生 Anjelica Kucinic 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器人手臂，可以捡起更小的物品，以及看起来像一架飞机的一百纳米大小的结构(“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，拥有一个 DNA 机器人，在注入血液后，它可以检测某种病原体，这是一回事。

“但更复杂的设备不仅可以检测到正在发生的事情，而且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以特定方式响应刺激或以特定方式移动的机器人。”

Castro 表示，他预计在未来几年内，MagicDNA 软件将用于大学和其他研究实验室。但它的使用在未来可能会扩大。

“人们对 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 年内，我们将开始看到 DNA 纳米设备的商业应用，我们乐观地认为该软件可以帮助推动这一点。”