Chương trình máy tính có thể dịch bản vẽ 2 chiềudạng tự do thành cấu trúc DNA
Các nhà nghiên cứu tại Đại học MITvà Đại học bang Arizona đã thiết kế một chương trình máy tính cho phép ngườidùng dịch bất kỳ bản vẽ dạng tự do nào thành cấu trúc hai chiều, kích thướcnano làm từ DNA.
Cho đến nay, việc thiết kế các cấutrúc như vậy đòi hỏi phải có chuyên môn kỹ thuật, khiến quá trình này vượt rakhỏi tầm với của hầu hết mọi người. Sử dụng chương trình mới, bất kỳ ai cũng cóthể tạo cấu trúc nano DNA có hình dạng bất kỳ, cho các ứng dụng trong sinh họctế bào, quang tử, và cảm biến lượng tử và điện toán, trong số nhiều thứ khác.
Mark Bathe, phó giáo sư kỹ thuậtsinh học tại MIT và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết: "Những gìnghiên cứu này làm là cho phép mọi người vẽ bất kỳ hình dạng 2 chiều nào và tựđộng chuyển nó thành DNA origami".
Thiết kế tự động
DNA origami, khoa học gấp DNA thànhcác cấu trúc nhỏ, bắt nguồn từ đầu những năm 1980, khi Ned Seeman của Đại họcNew York đề xuất tận dụng khả năng ghép cặp của DNA để tạo ra sự sắp xếp phântử tùy ý. Vào năm 2006, Paul Rothemund ở Caltech đã tạo ra cấu trúc DNA haichiều đầu tiên được tạo ra bằng cách dệt một chuỗi DNA dài (giàn giáo) sao chocác chuỗi DNA được gọi là "kim bấm" sẽ lai với nó để giúp tổng thểcấu trúc duy trì hình dạng.
Những người khác sau đó đã sử dụngmột cách tiếp cận tương tự để tạo ra các cấu trúc DNA ba chiều phức tạp. Tuynhiên, tất cả những nỗ lực này đòi hỏi thiết kế thủ công phức tạp để định tuyếngiàn giáo qua toàn bộ cấu trúc và để tạo ra các chuỗi của các sợi chủ lực. Năm2016, Bathe và các đồng nghiệp đã phát triển cách tự động hóa quá trình tạo cấutrúc DNA đa diện 3 chiều, và trong nghiên cứu mới này, họ đã bắt đầu tự độnghóa việc thiết kế cấu trúc DNA 2 chiều tùy ý.
Để đạt được điều đó, họ đã pháttriển một cách tiếp cận toán học mới cho quá trình định tuyến của giàn giáo đơnsợi xuyên qua toàn bộ cấu trúc để tạo thành hình dạng chính xác. Chương trìnhmáy tính thu được có thể lấy bất kỳ bản vẽ dạng tự do nào và dịch nó thànhchuỗi DNA để tạo ra hình dạng đó và thành chuỗi cho các chuỗi chủ yếu.
Hình dạng có thể được phác thảotrong bất kỳ chương trình vẽ máy tính nào và sau đó được chuyển đổi thành tệpthiết kế hỗ trợ máy tính (CAD), được đưa vào chương trình thiết kế DNA."Một khi bạn có tập tin đó, mọi thứ đều tự động, giống như in, nhưng ởđây, mực là DNA", Bathe cho biết.
Sau khi các chuỗi được tạo ra, ngườidùng có thể đặt hàng chúng để dễ dàng chế tạo hình dạng được chỉ định.
"Việc chúng ta có thể thiết kếvà chế tạo những thứ này một cách rất đơn giản giúp giải quyết một nút thắt lớntrong lĩnh vực của chúng ta," Bathe nhận xét.
Mô hình nano
Bởi vì các nhà nghiên cứu có quyềnkiểm soát chính xác như vậy đối với cấu trúc của các hạt DNA tổng hợp, nên họcó thể gắn nhiều loại phân tử khác tại các vị trí cụ thể. Điều này có thể hữuích cho việc tạo kháng nguyên theo mô hình nano để làm sáng tỏ cách thức các tếbào miễn dịch nhận ra và được kích hoạt ra sao bằng cách sắp xếp các kháng nguyêncụ thể được tìm thấy trên virus và vi khuẩn.
Một ứng dụng quan trọng khác làthiết kế các mạch thu hoạch ánh sáng bắt chước các phức hợp quang hợp được tìmthấy trong thực vật. Để đạt được điều đó, các nhà nghiên cứu đang gắn các thuốcnhuộm nhạy sáng được gọi là chromophore vào giàn giáo DNA. Ngoài việc thu hoạchánh sáng, các mạch như vậy cũng có thể được sử dụng để thực hiện các tính toánlượng tử và tính toán thô sơ. Nếu thành công, đây sẽ là các mạch điện toánlượng tử đầu tiên có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng, Bathe cho hay.