Nanostructuren maken de weg vrij voor geavanceerde robotica en mini-dinosaurussen

Onderzoekers van het Nano Institute van de Universiteit van Sydney hebben een aanzienlijke vooruitgang geboekt op het gebied van moleculaire robotica door op maat ontworpen en programmeerbare nanostructuren te ontwikkelen met behulp van DNA-origami.

Deze innovatieve aanpak heeft potentieel voor een reeks toepassingen, van gerichte medicijnafgiftesystemen tot responsieve materialen en energie-efficiënte optische signaalverwerking. De methode maakt gebruik van ‘DNA-origami’, zo genoemd omdat het gebruik maakt van de natuurlijke vouwkracht van DNA, de bouwstenen van het menselijk leven, om nieuwe en bruikbare biologische structuren te creëren.

Als proof-of-concept hebben de onderzoekers meer dan vijftig objecten op nanoschaal gemaakt, waaronder een ‘nano-dinosaurus’, een ‘dansende robot’ en een mini-Australië van 150 nanometer breed, duizend keer smaller dan een mensenhaar.

Het onderzoek is gepubliceerd in Wetenschap Robotica.

Het onderzoek, geleid door eerste auteur Dr. Minh Tri Luu en onderzoeksteamleider Dr. Shelley Wickham, richt zich op de creatie van modulaire DNA-origami “voxels” die kunnen worden samengevoegd tot complexe driedimensionale structuren. (Waar een pixel tweedimensionaal is, wordt een voxel in 3D gerealiseerd.)

Deze programmeerbare nanostructuren kunnen worden aangepast voor specifieke functies, waardoor snelle prototyping van diverse configuraties mogelijk is. Deze flexibiliteit is cruciaal voor de ontwikkeling van robotsystemen op nanoschaal die taken kunnen uitvoeren in de synthetische biologie, nanogeneeskunde en materiaalkunde.

Dr. Wickham, die een gezamenlijke functie bekleedt met de scholen voor scheikunde en natuurkunde van de faculteit natuurwetenschappen, zei: “De resultaten lijken een beetje op het gebruik van Meccano, het technische speelgoed voor kinderen, of het bouwen van een kettingachtige kattenwieg. Maar in plaats daarvan van metaal of touw op macroschaal, gebruiken we biologie op nanoschaal om robots met een enorm potentieel te bouwen.”

Dr. Luu zei: “We hebben een nieuwe klasse nanomaterialen gecreëerd met aanpasbare eigenschappen, waardoor diverse toepassingen mogelijk zijn – van adaptieve materialen die de optische eigenschappen veranderen als reactie op de omgeving tot autonome nanorobots die zijn ontworpen om kankercellen op te sporen en te vernietigen.”

Velcro-DNA

Om de voxels samen te stellen, integreert het team extra DNA-strengen aan de buitenkant van de nanostructuren, waarbij de nieuwe strengen fungeren als programmeerbare bindingsplaatsen.

Dr. Luu zei: “Deze sites werken als klittenband met verschillende kleuren – zo ontworpen dat alleen strengen met bijpassende ‘kleuren’ (in feite complementaire DNA-sequenties) verbinding kunnen maken.”

Hij zei dat deze innovatieve aanpak nauwkeurige controle mogelijk maakt over hoe voxels aan elkaar binden, waardoor aanpasbare, zeer specifieke architecturen mogelijk worden gemaakt.

Een van de meest opwindende toepassingen van deze technologie is het potentieel om robotboxen op nanoschaal te creëren die medicijnen rechtstreeks naar specifieke gebieden in het lichaam kunnen afleveren.

Door DNA-origami te gebruiken, kunnen onderzoekers deze nanobots zo ontwerpen dat ze reageren op specifieke biologische signalen, zodat medicijnen alleen worden vrijgegeven wanneer en waar ze nodig zijn. Deze gerichte aanpak zou de effectiviteit van kankerbehandelingen kunnen vergroten en tegelijkertijd de bijwerkingen kunnen minimaliseren.

Naast de toediening van medicijnen onderzoeken de onderzoekers de ontwikkeling van nieuwe materialen die eigenschappen kunnen veranderen als reactie op omgevingsstimuli. Deze materialen kunnen bijvoorbeeld worden ontworpen om te reageren op hogere belastingen of om hun structurele kenmerken te veranderen op basis van veranderingen in temperatuur of zuurgraad (pH).

Dergelijke responsieve materialen hebben het potentieel om de medische, computer- en elektronica-industrie te transformeren.

Dr. Wickham zei: “Dit werk stelt ons in staat ons een wereld voor te stellen waarin nanobots aan een groot aantal taken kunnen werken, van het behandelen van het menselijk lichaam tot het bouwen van futuristische elektronische apparaten.”

Het onderzoeksteam onderzoekt ook energie-efficiënte methoden voor het verwerken van optische signalen, wat zou kunnen leiden tot verbeterde beeldverificatietechnologieën. Door gebruik te maken van de unieke eigenschappen van DNA-origami kunnen deze systemen de snelheid en nauwkeurigheid van de optische signaalverwerking verbeteren, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor verbeterde technieken op het gebied van medische diagnostiek of beveiliging.

Dr. Luu, een postdoctoraal onderzoeker aan de School of Chemistry, zei: “Ons werk demonstreert het ongelooflijke potentieel van DNA-origami om veelzijdige en programmeerbare nanostructuren te creëren. Het vermogen om deze componenten te ontwerpen en te assembleren opent nieuwe wegen voor innovatie in de nanotechnologie.”

Dr. Wickham zei: “Dit onderzoek benadrukt niet alleen de mogelijkheden van DNA-nanostructuren, maar benadrukt ook het belang van interdisciplinaire samenwerking bij het bevorderen van de wetenschap. We zijn verheugd om te zien hoe onze bevindingen kunnen worden toegepast op echte uitdagingen op het gebied van gezondheid, materiaalkunde en energie.”

Terwijl onderzoekers deze technologieën blijven verfijnen, wordt het potentieel voor het creëren van adaptieve nanomachines die kunnen werken in complexe omgevingen, zoals in het menselijk lichaam, steeds haalbaarder.