DNA机器人：设计纳米设备，只需几分钟

作者/凯霞

DNA广泛应用于制造纳米设备。然而，目前的DNA纳米器件主要依赖于几何设计，合理设计功能特性（如强迫响应或行为驱动）仍具有挑战性。

科学家们相信，有朝一日，基于DNA的微型机器人和其他纳米机器人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。

近日，俄亥俄州立大学的研究团队开发了一种新的工具。将「自上而下」的自动化与「自下而上」的几何控制相结合，这种方法扩展了复杂设计的范围，并实现了机械和动态特性的工程设计。

该研究成果于4月19日以「用于DNA组装的集成计算机辅助工程设计」（Integrated computer-aided engineering and design for DNA assemblies）为题发表在《自然·材料》（Nature Materials）杂志上。

将计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助工程（CAE）结合到集成计算材料工程（ICME）框架中，对于跨多个长度尺度的复合材料性能和几何设计至关重要。以计算为指导的蛋白质设计已经很成熟，但目前的DNA纳米器件主要依赖于几何设计。

对几何形状的精确控制使DNA组装（DNA assembly)备受关注。但是，随着设计和功能复杂性的增加，基于DNA的设计必须与计算建模集成在一起，以有效地调整功能特性并以数字方式验证系统性能。

最近几年，DNA组装主要使用「自下而上」、「自上而下」的方法进行设计。「自下而上」的方法为用户提供了对几何的控制，但复杂度有限且手动设计相对较慢；「自上而下」的方法为复杂形状的设计提供了快速而简单的方法，但牺牲了结构多样性和设计特征的能力。因此，仍然需要一种快速和通用的设计方法来利用CAE在DNA组装方面的潜力。

「自上而下」与「自下而上」相结合

这项研究的通讯作者Castro说：「我们的混合设计方法，融合了『自下向上』和『自上而下』的方法，以提供高度的结构多样性，扩大复杂设计的范围，使机械和动态特性工程成为可能。」

Castro说：「我们推出了『MagicDNA』新软件。该软件可以帮助研究人员升级设计方法，将微小的DNA链组合成复杂的结构，并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多种任务，包括人体内药物输送。」

该软件允许设计师「自下而上」或「自上而下」构建DNA结构。在「自下而上」设计中，研究人员获取DNA的各个链，并决定如何将它们组织成他们想要的结构，从而可以对本地设备的结构和属性进行精细控制。在「自上而下」的方法中，他们需要确定整个设备的几何形状，然后自动进行DNA链的组装。Castro说，「将两种方法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。」

图示：MagicDNA中各种内置GUIs图(形用户界面)。（来源：论文）

更快的制造更复杂的纳米设备

多年来，研究人员一直在使用效率较低的工具和繁琐的手工步骤来完成工作。但现在，以前花几天时间设计的纳米设备，现在只需要几分钟。

有了该软件，研究人员可以制造更复杂和有用的纳米设备。

俄亥俄州立大学机械和航空航天工程教授、该研究的共同作者苏海军(Hai-Jun Su)表示：「以前，我们最多可以制造出大约有6个独立部件的设备，再用接头和铰链连接起来尝试让它们执行复杂运动。现在凭借全新软件，轻易就制造出20个拥有以上组件的机器人或设备，且还更容易控制。这是我们设计纳米设备能力的巨大进步，这些纳米设备可以执行我们希望它们做的复杂动作。」

现实可行

该软件的另一个关键点是，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。Castro说：「随着这些结构变得更加复杂，很难准确预测它们的外观和行为方式。能够模拟设备的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，合著者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。比如，他们创建的带有爪子的机械臂，可以抓起较小的物品。Castro说，「制造更复杂的纳米设备，意味着该软件可以做更多有用的事情，甚至在一台设备上执行多项任务。例如，有一个DNA机器人，将其注入血液后，可以检测到某种病原体。」

图示：带有爪的机器人手臂。（来源:俄亥俄州立大学）

「预计在未来几年，『MagicDNA』软件将会在大学和其他研究实验室中使用。但它的用途在未来可能会扩大。」Castro说，「我们认为在未来5年到10年内，将开始看到DNA纳米器件的商业应用。」

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-021-00978-5

参考文章：https://phys.org/news/2021-04-dna-robots-minutes-days.html