UNSW-forskare har övervunnit en stor designutmaning på vägen till att kontrollera dimensionerna av så kallade DNA-nanobotar – strukturer som sätter ihop sig själva från DNA-komponenter.

Självmonterande nanorobotar kan låta som science fiction, men ny forskning inom DNA-nanoteknik har fört dem ett steg närmare verkligheten. Framtida användningsfall för nanobot kommer inte bara att utspela sig i den lilla skalan, men inkluderar större tillämpningar inom hälso- och medicinområdet, såsom sårläkning och täppning av artärer.

Forskare från UNSW, med kollegor i Storbritannien, har publicerat en ny designteori i ACS Nano om hur man kontrollerar längden på självmonterande nanobotar i frånvaro av en mögel, eller mall.

"Traditionellt bygger vi strukturer genom att manuellt montera komponenter till önskad slutprodukt. Det fungerar ganska bra och enkelt om delarna är stora, men när du blir mindre och mindre, det blir svårare att göra detta, " säger huvudförfattaren Dr Lawrence Lee från UNSW Medicine's Single Molecule Science.

Medicinska forskare kan redan bygga robotar i nanoskala som kan programmeras för att utföra mycket små uppgifter, som att placera små elektriska komponenter eller leverera läkemedel till cancerceller.

På UNSW, forskare använder biologiska molekyler – som DNA – för att bygga dessa nanorobotar. I en process som kallas molekylär självmontering, små enskilda komponenter bygger sig själva till större strukturer.

Utmaningen med att använda självmontering för att bygga är att ta reda på hur man programmerar byggstenarna för att bygga den önskade strukturen, och få dem att stanna när strukturen är lång eller tillräckligt hög.

För detta projekt, UNSW-forskarna implementerade sin design genom att syntetisera DNA-subenheter, kallas PolyBricks. Som händer i naturliga system, var och en av byggstenarna är kodade med huvudplanerna för att självmontera till fördefinierade strukturer med inställd längd.

Dr. Lee liknar PolyBricks med mikrobotarna i scifi-filmen Big Hero Six, där mikrobotar självmonterar till en mängd olika formationer.

"I filmen, den ultimata roboten är ett gäng identiska underenheter som kan instrueras att självmontera till vilken global form som helst, säger Dr Lee.

Författarna använde en designprincip som kallas spänningsackumulering för att kontrollera dimensionerna på deras byggda strukturer.

"Med varje block vi lägger till, töjningsenergi ackumuleras mellan PolyBricks, tills energin till slut är för stor för att några fler block ska kunna binda. Detta är den punkt då underenheterna kommer att sluta monteras, " säger Dr Lee.

För att kontrollera längden på den slutliga strukturen, dvs. hur många PolyBricks som är sammanfogade – forskargruppen modifierade sekvensen i sin DNA-design för att reglera hur mycket stam som läggs till med varje nytt block.

"Vår teori kan hjälpa forskare att designa andra sätt att använda spänningsackumulering för att kontrollera de globala dimensionerna av öppna självmontering, " säger Dr Lee.

Författarna säger att denna mekanism kan användas för att koda mer komplexa former med hjälp av självmonterande enheter.

"Det är den här typen av grundläggande forskning om hur vi organiserar materia i nanoskala som kommer att leda oss till nästa generation av nanomaterial, nanomediciner, och nanoelektronik, " säger doktorand och huvudförfattare, Dr Jonathan Berengut.