Quando si tratta di creare nanotecnologie, non si può semplicemente costruirlo con le proprie mani. Anziché, i ricercatori hanno bisogno di qualcosa di dimensioni nanometriche che sia in grado di autoassemblarsi. L'origami del DNA è un metodo per creare forme di dimensioni nanometriche piegando filamenti di DNA. Questo può essere usato per fabbricare nanomacchine, sensori, e nanorobot da utilizzare in campi che vanno dalla biofisica all'informatica fisica.

Però, il processo di progettazione alla base di queste strutture richiede al progettista di concepire in anticipo l'aspetto del prodotto finale e di progettare strutture complesse pezzo per pezzo a partire da singoli filamenti di DNA. Questo processo richiede molto tempo e limita il possibile spazio di progettazione che può essere esplorato.

Negli ultimi anni, sono stati rilasciati strumenti semiautomatici per assistere il processo di progettazione, e questi strumenti hanno notevolmente ampliato le capacità dell'utente. Però, non esistevano strumenti di progettazione completamente automatizzati per creare le strutture di origami di DNA multistrato che comprendono la maggior parte dei progetti di origami di DNA utilizzati oggi.

"Esiste un modo più efficiente e potente per progettare queste strutture, "dice Rebecca Taylor, un assistente professore di ingegneria meccanica. "Questa mancanza di capacità automatizzata per generare origami di DNA multistrato è stata una delle principali esigenze del settore".

Un nuovo approccio alla progettazione di origami del DNA è venuto da un team di ricerca interdisciplinare presso CMU. Tito Babatunde, un dottorato di ricerca in ingegneria meccanica alunno, ha proposto un nuovo modo di generare e ottimizzare i progetti di nanostrutture di origami di DNA. Consigliato da Rebecca Taylor e Jonathan Cagan, ha unito le loro competenze per affrontare la progettazione di nanostrutture.

"Abbiamo un approccio veramente interdisciplinare qui, " disse Cagan, un professore di ingegneria meccanica. "Abbiamo preso due campi distinti e ci siamo resi conto che si sovrappongono e forniscono qualcosa di davvero unico e in grado di migliorare le capacità".

Cagan ha aperto la strada a un approccio computazionale generativo chiamato ricottura della forma. La ricottura della forma viene utilizzata per progettare strutture complesse studiando un'ampia gamma di progetti prima di stabilirsi su quello migliore. Questo approccio evita che i ricercatori debbano sprecare tempo o materiali su progetti difettosi. In questo progetto, Babatunde sta fondendo la ricottura della forma con il modo fondamentale in cui il DNA può essere unito e formato.

Il DNA segue una serie di semplici regole che stabiliscono quali composti possono accoppiarsi. Poiché le regole sono ben comprese, i ricercatori possono trarre vantaggio dalla loro prevedibilità. I ricercatori iniziano con un singolo filamento di DNA e lo "fissano" in una forma 2D o 3D desiderata. Una volta completato questo processo, la nanostruttura del DNA funge da impalcatura per il pezzo finale della nanotecnologia.

Nella loro carta, Babatunde e il suo team dimostrano che questo processo di generazione del design funziona per una varietà di forme. Oltre a utilizzare forme di design classiche, il team ha dimostrato che il loro programma funziona per il coniglietto di Stanford, una forma complessa usata per mostrare la flessibilità del loro lavoro.

Prossimo, Babatunde renderà l'algoritmo più generalizzabile. I progetti futuri potrebbero includere l'integrazione di più vincoli, come un rivestimento esterno o una rete. Inoltre, il team potrebbe utilizzare il proprio algoritmo in altre situazioni o esplorare diversi tipi di algoritmi per gli origami del DNA. Babatunde, però, è molto entusiasta di creare un pezzo fisico di nanotecnologia dalla struttura del DNA.

"Non vedo l'ora di utilizzare non solo il nostro approccio per progettare nanostrutture, ma anche di costruirle in laboratorio, "Babatunde ha detto. "È attraverso la costruzione di queste strutture innovative che questa tecnologia dimostrerà l'impatto delle nanomacchine reattive per la somministrazione di farmaci ai sensori nanomeccanici e alla nanolitografia".

Il documento è stato pubblicato in Scienze applicate nel Progettazione meccanica nella nanotecnologia del DNA problema speciale.