في وقت ما في المستقبل غير البعيد ، يقبل الباحثون أن الروبوتات الدقيقة القائمة على الحمض النووي وغيرها من الأجهزة النانوية ستنقل الدواء داخل أجسامنا ، وتميز وجود الكائنات الحية الدقيقة القاتلة ، وتساعد في تصنيع أجهزة أكثر تواضعًا بشكل تدريجي. تحرك العلماء نحو هذا المستقبل من خلال بناء جهاز آخر يمكنه التخطيط إلى حد كبير لروبوتات الحمض النووي والأجهزة النانوية المحيرة أكثر مما كان يمكن تصوره من قبل في جزء صغير من الوقت. ابتكر المحللون أداة يمكنها تخطيط روبوتات الحمض النووي والأجهزة النانوية المعقدة في دقائق بدلاً من أيام.
في ورقة تم توزيعها اليوم في مجلة Nature Materials ، كشف متخصصون من جامعة ولاية أوهايو - قادهم تشاو مين هوانغ - باحث دكتوراه في التصميم سابقًا - عن برامج جديدة يسمونها MagicDNA. يساعد المنتج العلماء في أساليب التخطيط لأخذ خيوط صغيرة من الحمض النووي ودمجها في تصميمات معقدة بأجزاء مثل الدوارات والمحاور التي يمكنها التحرك وإنهاء مجموعة متنوعة من المهام ، بما في ذلك نقل الأدوية. تتمثل إحدى الفوائد في أنه يسمح للمحللين بتنفيذ الخطة بأكملها بشكل حقيقي في الأبعاد الثلاثية. سمحت أجهزة الخطة السابقة للتو بالإنشاء ثنائي الأبعاد ، مما أدى إلى تقييد المتخصصين لتخطيط مظاهرهم في ثلاثي الأبعاد. لا يمكن للمهندسين المعماريين أن يجعلوا أجهزتهم محيرة للعقل بشكل مفرط.
بالإضافة إلى ذلك ، يسمح المنتج للمصممين بتصنيع هياكل الحمض النووي 'من أعلى إلى أسفل' أو 'من أعلى إلى أسفل'. في خطة 'القاعدة' ، يأخذ العلماء خيوطًا مفردة من الحمض النووي ويخلصون إلى كيفية تجميعها معًا في التصميم الذي يحتاجون إليه ، مما يسمح بسلطة دقيقة على بناء الجهاز القريب وخصائصه. ومع ذلك ، يمكنهم أيضًا اتباع نهج 'من أعلى إلى أسفل' حيث يختارون كيفية تشكيل أجهزتهم العامة رياضيًا وبعد ذلك روبوتات كيفية تجميع خيوط الحمض النووي. دمج الاثنين يأخذ في الاعتبار توسيع تعقيد الرياضيات العامة مع الحفاظ على القوة الدقيقة على خصائص المقطع الفردي. عنصر حيوي آخر للمنتج هو أنه يسمح بإعادة تمثيل كيفية تحرك أجهزة الحمض النووي المخططة والعمل في الواقع.
يساعد المنتج العلماء في نهج التخطيط لأخذ خيوط صغيرة من الحمض النووي ودمجها في تصميمات معقدة بأجزاء مثل الدوارات والمحور التي يمكنها التحرك وإنهاء مجموعة متنوعة من المهام ، بما في ذلك نقل الأدوية. قال كارلوس كاسترو ، المؤسس المشارك للتحقيق والمعلم الشريك للتصميم الميكانيكي والطيران في ولاية أوهايو ، إن المتخصصين كانوا يفعلون ذلك لسنوات مختلفة باستخدام أجهزة أكثر بطئًا مع تقدم يدوي رتيب.
وفقًا لكاسترو ، فإن الأجهزة النانوية التي ربما استغرقت العلماء بضعة أيام للتخطيط قبل ذلك ، تستغرق الآن دقيقتين فقط. أيضًا ، يمكن للعلماء حاليًا صنع أجهزة نانوية أكثر قيمة ولا يمكن التنبؤ بها. يقول Hai-Jun Su ، أحد مؤسسي التصميم الميكانيكي والطيران في ولاية أوهايو ، إنه نظرًا للخبرة السابقة ، فإنهم قادرون على تصنيع الأجهزة بما يصل إلى ستة قطاعات فردية وربطها بالمفاصل والمحاور ومحاولة التسبب في تنفيذها حركات معقدة.
ويضيف أيضًا أنه بمساعدة هذا المنتج ، ليس من الصعب إنشاء روبوتات أو أجهزة مختلفة تحتوي على ما يصل إلى 20 شريحة يسهل التحكم فيها. إنه تقدم هائل في قدرتها على التخطيط للأجهزة النانوية التي يمكن أن تؤدي الأنشطة المعقدة التي يحتاجها العلماء للقيام بها. يحتوي المنتج على مجموعة متنوعة من الفوائد التي ستساعد الباحثين على التخطيط لأجهزة نانوية أفضل وأكثر دعمًا - ويثق العلماء - يختصرون الوقت قبل استخدامها العادي.
تتمثل إحدى المزايا في أنه يسمح للمتخصصين بالقيام بالخطة بأكملها بدقة ثلاثية الأبعاد. سمحت أجهزة الخطة السابقة للتو بالإنشاء ثنائي الأبعاد ، مما أدى إلى تقييد المتخصصين لتخطيط مظاهرهم في صورة ثلاثية الأبعاد. لا يستطيع المنشئون الضمنيون جعل أجهزتهم محيرة للعقل بشكل مفرط. قال كاسترو إن دمج الاثنين يأخذ في الاعتبار توسيع تعقيد الرياضيات العامة مع الحفاظ على السيطرة الدقيقة على خصائص المقطع الفردي. عنصر مهم آخر للمنتج هو أنه يسمح بإعادة إنشاء كيفية تحرك أجهزة الحمض النووي المخطط لها والعمل في الواقع.
وفقًا لما يقوله كاسترو ، كلما تم إجراء هذه التصميمات بشكل أكثر تعقيدًا ، زاد صعوبة تحديد ما ستشبه وكيف ستعمل. من الأساسي أن يكون لديك خيار لتقليد كيفية عمل الأجهزة حقًا. عدا ذلك ، يحترق العلماء الكثير من الوقت. كمعرض لقدرة المنتج ، قاد المنشئ المشارك Anjelica Kucinic ، وهو طالب دكتوراه في الجوهر وتصميم الجزيئات الحيوية في ولاية أوهايو ، المحللين إلى صنع وتصوير العديد من الهياكل النانوية التي يخطط لها المنتج.
يتضمن جزء من الأجهزة التي صنعوها أذرع روبوتية ذات كفوف يمكنها الحصول على أشياء أكثر تواضعًا ، وبنية بحجم 100 نانومتر تشبه الطائرة ('الطائرة' عدة مرات أقل من عرض شعرة الإنسان). قال كاسترو إن القدرة على صنع المزيد من الأجهزة النانوية التي لا يمكن التنبؤ بها تعني أن بإمكانهم إنجاز أشياء أكثر قيمة وحتى إكمال المهام المختلفة بجهاز واحد.
على سبيل المثال ، من الأمور أن يكون لديك روبوت DNA يمكنه ، بعد تسريبه في الدورة الدموية ، التعرف على ميكروب معين. قال كاسترو إنه يتوقع أن يتم استخدام برمجة MagicDNA في الكليات ومختبرات الفحص الأخرى في السنوات التالية ، وليس سنوات عديدة. مهما كان الأمر ، فقد يمتد استخدامه لاحقًا.
قال: 'هناك فرصة لزيادة الاهتمام التجاري بشكل متزايد بتكنولوجيا النانو DNA'. 'أعتقد أنه في السنوات الخمس إلى العشر القادمة سنبدأ في رؤية الاستخدامات التجارية للأجهزة النانوية للحمض النووي ، ونأمل أن يساعد هذا المنتج في تحقيق ذلك.'