Разнообразие ДНК-оригами: инструмент генеративного дизайна опирается на грамматические правила для поиска лучшей формы

Как следует из названия, ДНК-оригами — это метод изготовления, при котором исследователи складывают нити ДНК для создания двух- и трехмерных наноструктур точной формы. Эти легко программируемые структуры могут изменить доставку лекарств, диагностическую медицину, создание наноматериалов и молекулярные вычисления, но, как и в случае с созданием бумажного оригами, ученые ограничены проектами, которые они могут концептуализировать.

Чтобы преодолеть творческие препятствия, исследователи факультета машиностроения Университета Карнеги-Меллон разработали инструмент генеративного проектирования, который может создавать оптимально управляемые каркасные наноструктуры ДНК-оригами, соответствующие ограничениям, определенным дизайнером.

«Теперь ученые могут за считанные минуты создавать сотни наноструктур, отвечающих их конкретным потребностям», — сказал А. Дж. Веттурини, доктор философии в области машиностроения. кандидат.

Правила грамматики форм, используемые при проектировании продуктов и архитектуры, представляют собой инструменты планирования, которые помогают манипулировать формами, чтобы они соответствовали определенным правилам для создания нового дизайна. Поскольку состав ДНК определяется простым набором правил (пары A с T, пары C с G), применение грамматик форм к ДНК-оригами было простым выбором для исследовательской группы, которая создала такие правила для управления формированием структур ДНК.

Новый инструмент автоматизированного проектирования избранный в Исследования нуклеиновых кислотполагается на грамматические правила для циклического прохождения итераций проектирования, прежде чем выдать 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 придумают сами, но теперь они могут существовать в мире с определенной целью», — сказал он.

Опираясь на глубокие знания команды в области нанотехнологий ДНК, они поняли, что подавляющее большинство существующих проектов занимают очень мало места для дизайна. Во-первых, сложность создания фигур оригами из ДНК с высокой анизотропностью часто не позволяет разработать потенциально новаторские конструкции. Кроме того, конструкции часто сильно ограничены с точки зрения доступного материала, поскольку большинство ДНК-оригами имеют фиксированные размеры из-за использования стандартизированных и коммерчески доступных «каркасов» одноцепочечной ДНК.

«Проектирование наноструктур чрезвычайно сложно, поскольку оно требует тщательного построения графиков 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 огромной проблемой без включения многоцелевой оптимизации в процесс проектирования. По этой причине я рад, что наш недавно выпущенный инструмент настолько прост в использовании и позволит ученым всех уровней создавать разнообразные разработки. Это может ускорить прогресс в биомедицинских и нанотехнологических приложениях».

Кроме того, команда создала 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 представления ДНК-оригами базового уровня.