Разнообразие ДНК-оригами: инструмент генеративного дизайна опирается на грамматические правила, чтобы найти лучшую форму

Как следует из названия, ДНК-оригами — это технология производства, при которой исследователи сгибают нити ДНК для создания двух- и трехмерных наноструктур точной формы. Эти легко программируемые структуры могут изменить доставку лекарств, диагностическую медицину, формирование наноматериалов и молекулярные вычисления, но, как и в случае с бумажным оригами, ученые ограничены проектами, которые они могут концептуализировать.

Чтобы преодолеть творческие препятствия, исследователи факультета машиностроения Университета Карнеги-Меллона разработали инструмент генеративного проектирования, способный создавать оптимизированные каркасные наноструктуры ДНК-оригами, соответствующие ограничениям, установленным дизайнером.

«Теперь ученые могут создавать сотни наноструктур для удовлетворения своих конкретных потребностей за считанные минуты», — сказал А. Дж. Веттурини, имеющий докторскую степень в области машиностроения. кандидат.

Правила грамматики фигур, используемые в проектировании продуктов и архитектур, представляют собой инструменты планирования, которые помогают манипулировать формами в соответствии с определенными правилами для создания нового дизайна. Поскольку состав ДНК определяется набором простых правил (А ассоциируется с Т, С ассоциируется с G), применение грамматик форм к ДНК-оригами было легким выбором для исследовательской группы, которая создала такие правила для управления формированием ДНК. структуры.

Новый инструмент автоматизированного проектирования избранный В Исследование нуклеиновых кислотполагается на грамматические правила для прохождения итераций проектирования, прежде чем найти лучшее решение. Этот процесс генеративного проектирования, называемый формовым отжигом, был впервые предложен Джоном Кейганом, профессором машиностроения.

«С помощью этого инструмента мы можем создавать структуры, о которых люди не обязательно будут думать самостоятельно, но которые теперь могут существовать в мире с определенной целью», — сказал он.

Опираясь на обширные знания команды в области нанотехнологий ДНК, они поняли, что подавляющее большинство существующих проектов очень мало затрагивают пространство дизайна. Во-первых, сложность создания сильно анизотропных фигур ДНК-оригами часто мешает исследованию потенциально революционных проектов. Кроме того, конструкции часто очень ограничены с точки зрения доступных материалов, поскольку большинство ДНК-оригами имеют фиксированные размеры из-за использования стандартизированных, коммерчески доступных «каркасов» одноцепочечной ДНК.

«Разработка наноструктур чрезвычайно сложна, поскольку требует тщательного картирования тысяч нуклеиновых оснований в определенном порядке», — объяснила Ребекка Тейлор, доцент кафедры машиностроения.

«Достижение успешного проекта, который соответствует желаемым результатам с точки зрения механики, формы и использования материалов, является серьезной проблемой без интеграции многоцелевой оптимизации в процесс проектирования. По этой причине я рад, что наш новый инструмент настолько прост в использовании и позволит ученым всех уровней создавать разнообразные проекты. Это может ускорить прогресс в области биомедицинских и нанотехнологических приложений.

Кроме того, команда изготовила и охарактеризовала несколько проектов, созданных с помощью этого нового инструмента, что позволило им показать, что этот новый конвейер полностью совместим с существующими подходами к преобразованию 3D-сеток в базовые представления ДНК-оригами.