När det gäller att skapa nanoteknik, man kan inte bara bygga den med sina händer. Istället, forskare behöver något i nanostorlek som kan monteras själv. DNA-origami är en metod för att skapa former i nanostorlek genom att vika DNA-strängar. Detta kan användas för att tillverka nanomaskiner, sensorer, och nanorobotar för användning inom områden som sträcker sig från biofysik till fysisk beräkning.

Dock, designprocessen bakom dessa strukturer kräver att designern föreställer sig hur den slutliga produkten ser ut i förväg och designar komplexa strukturer bit för bit från enskilda DNA-strängar. Denna process är extremt tidskrävande och den begränsar det möjliga designutrymmet som kan utforskas.

På senare år har halvautomatiska verktyg har släppts för att hjälpa designprocessen, och dessa verktyg har avsevärt utökade användarmöjligheter. Dock, inga helt automatiserade designverktyg existerade för att skapa de flerskiktiga DNA-origamistrukturerna som utgör majoriteten av DNA-origamidesignerna som används idag.

"Det finns ett mer effektivt och kraftfullt sätt att designa dessa strukturer, säger Rebecca Taylor, en biträdande professor i maskinteknik. "Denna brist på automatiserad förmåga att generera flerlagers DNA-origami har varit ett stort behov som fältet har haft."

En ny metod för design av DNA-origami kom från ett tvärvetenskapligt forskarteam vid CMU. Tito Babatunde, en maskiningenjör Ph.D. studerande, föreslagit ett nytt sätt att generera och optimera design av DNA-origami nanostrukturer. Rådgiven av Rebecca Taylor och Jonathan Cagan, hon kombinerade deras expertis för att ta itu med nanostrukturdesign.

"Vi har ett verkligt tvärvetenskapligt förhållningssätt här, sa Cagan, professor i maskinteknik. "Vi tog två diskreta fält och insåg att de överlappar varandra och ger något som verkligen är unikt och kan förbättra kapaciteten."

Cagan var pionjär med en generativ beräkningsmetod som kallas formglödgning. Formglödgning används för att designa komplexa strukturer genom att undersöka ett brett spektrum av mönster innan man bestämmer sig för den bästa. Detta tillvägagångssätt hindrar forskare från att behöva slösa tid eller material på felaktiga konstruktioner. I detta projekt, Babatunde slår samman formglödgning med det grundläggande sättet att DNA kan sammanfogas och formas.

DNA följer en uppsättning enkla regler som dikterar vilka föreningar som kan paras ihop. Eftersom reglerna är väl förstådda, forskare kan dra nytta av deras förutsägbarhet. Forskare börjar med en enkel DNA-sträng och "häftar" den till en önskad 2D- eller 3D-form. När denna process är klar, DNA-nanostrukturen fungerar som en byggnadsställning för den sista biten av nanoteknik.

I deras papper, Babatunde och hennes team visar att denna designgenereringsprocess fungerar för en mängd olika former. Förutom att använda klassiska designformer, teamet visade att deras program fungerar för Stanford-kaninen, en komplex form som används för att visa flexibiliteten i deras arbete.

Nästa, Babatunde kommer att göra algoritmen mer generaliserbar. Framtida projekt kan innefatta att integrera fler begränsningar, som en yttre beläggning eller mesh. Dessutom, teamet kan använda sin algoritm i andra situationer eller utforska olika typer av algoritmer för DNA-origami. Babatunde, dock, är mest exalterad över att skapa en fysisk bit av nanoteknik från DNA-strukturen.

"Jag ser fram emot att inte bara använda vårt tillvägagångssätt för att designa nanostrukturer utan att bygga dem i labbet också, ", sa Babatunde. "Det är genom att bygga dessa innovativa strukturer som den här tekniken kommer att demonstrera effekten från responsiva nanomaskiner för läkemedelsleverans till nanomekaniska sensorer och nanolitografi."

Tidningen publicerades i Tillämpade vetenskaper i Mekanisk design inom DNA-nanoteknik specialnummer.