Odprtokodna programska oprema raziskovalcem omogoča ustvarjanje zaokroženih objektov v nanometru iz DNK

24. december 2022 (Nanowerk novice) Čudite se drobnim strukturam v nanometrskem merilu, ki izhajajo iz raziskovalnih laboratorijev na Univerzi Duke in Državni univerzi v Arizoni, in zlahka si je predstavljati, da brskate po katalogu najmanjše keramike na svetu. Nov dokument razkriva nekaj kreacij ekip: majhne vaze, sklede in votle krogle, skrite ena v drugi, kot gospodinjski pripomočki za rusko lutko. Toda namesto da bi jih izdelali iz lesa ali gline, so raziskovalci te predmete oblikovali iz nitastih molekul DNK, upognjenih in zloženih v kompleksne tridimenzionalne predmete z nanometrsko natančnostjo. Vsaka od teh nanostruktur, ki ni večja od virusa, je bila zgrajena s programsko opremo, ki raziskovalcem omogoča oblikovanje predmetov iz koncentričnih obročev DNK. Modeli (zgoraj) in elektronske mikroskopske slike dejanskih predmetov (spodaj). (Slika: Arizona State University) Te stvaritve prikazujejo možnosti novega odprtokodnega programskega programa, ki ga je razvil Duke Ph.D. študent Dan Fu s svojim svetovalcem Johnom Reifom. Opisano v reviji Znanost Predplačila (»Samodejno oblikovanje 3D DNK origamija z nerasterizirano 2D ukrivljenostjo«), programska oprema omogoča uporabnikom, da posnamejo risbe ali digitalne modele zaobljenih oblik in jih spremenijo v 3D strukture iz DNK. Nanostrukture DNK sta sestavila in slikala soavtorja Raghu Pradeep Narayanan in Abhay Prasad v laboratoriju profesorja Hao Yana v državi Arizona. Vsak majhen votel predmet ne meri več kot dve milijoninki palca. Več kot 50,000 bi jih lahko spravili na glavico bucike. Toda raziskovalci pravijo, da so to več kot zgolj nano-skulpture. Programska oprema bi lahko raziskovalcem omogočila ustvarjanje majhnih posod za dostavo zdravil ali kalupov za ulivanje kovinskih nanodelcev s posebnimi oblikami za sončne celice, medicinsko slikanje in druge aplikacije. Za večino ljudi je DNK načrt življenja; genetska navodila za vsa živa bitja, od pingvinov do topolov. Toda za ekipe, kot sta Reifova in Yanova, je DNK več kot nosilec genetskih informacij - je izvorna koda in gradbeni material. V genetski kodi DNK so štiri »črke« ali baze, ki se v naših celicah na predvidljiv način združijo in tvorijo prečke lestve DNK. Raziskovalci so izbrali te stroge lastnosti združevanja baz DNK - A s T in C z G. Z oblikovanjem verig DNK s posebnimi zaporedji lahko "programirajo" verige, da se sestavijo v različne oblike. Metoda vključuje prepogibanje enega ali nekaj dolgih kosov enoverižne DNK, dolge na tisoče baz, s pomočjo nekaj sto kratkih verig DNK, ki se vežejo na komplementarna zaporedja na dolgih verigah in jih "pripnejo" na svoje mesto. Raziskovalci že od osemdesetih let prejšnjega stoletja eksperimentirajo z DNK kot gradbenim materialom. Prve 1980D oblike so bile preproste kocke, piramide, nogometne žoge - geometrijske oblike z grobimi in kockastimi površinami. Toda načrtovanje struktur z ukrivljenimi površinami, ki so bolj podobne tistim v naravi, je bilo težavno. Cilj ekipe je razširiti obseg oblik, ki so možne s to metodo. Da bi to naredil, je Fu razvil programsko opremo, imenovano DNAxiS. Programska oprema temelji na načinu gradnje z DNK, ki ga je leta 2011 opisal Yan (Znanost, "Origami DNK s kompleksnimi ukrivljenostmi v tridimenzionalnem prostoru"), ki je bil pred 20 leti podoktorski študij pri Reifu pri Dukeu, preden se je pridružil fakulteti v Arizoni State. Deluje tako, da dolgo dvojno vijačnico DNK zvije v koncentrične obroče, ki se nalagajo drug na drugega in tvorijo konture predmeta, kot bi uporabili kolobarje iz gline za izdelavo lonca. Da bi bile strukture močnejše, je ekipa omogočila tudi njihovo ojačitev z dodatnimi plastmi za večjo stabilnost. Fu pokaže različne oblike, ki jih lahko naredijo: storže, buče, oblike listov detelje. DNAxiS je prvo programsko orodje, ki uporabnikom omogoča samodejno oblikovanje takšnih oblik z uporabo algoritmov za določanje, kam postaviti kratke "sponke" DNK, da združijo daljše obroče DNK in držijo obliko na mestu. "Če jih je premalo ali če so v napačnem položaju, se struktura ne bo pravilno oblikovala," je dejal Fu. "Pred našo programsko opremo je bila ukrivljenost oblik še posebej težaven problem." Če na primer dobimo model oblike gobe, računalnik izpljune seznam verig DNK, ki bi se same sestavile v pravo konfiguracijo. Ko so verige sintetizirane in zmešane v epruveti, ostalo poskrbi samo zase: s segrevanjem in ohlajanjem mešanice DNK se v samo 12 urah »nekako čarobno zloži v nanostrukturo DNK,« je dejal Reif. Praktične uporabe njihove programske opreme za načrtovanje DNK v laboratoriju ali kliniki so morda še leta stran, so povedali raziskovalci. Toda "to je velik korak naprej v smislu avtomatiziranega oblikovanja novih tridimenzionalnih struktur," je dejal Reif.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• vir: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62079.php