การออกแบบด้วยดีเอ็นเอ

เอกสารฉบับใหม่เผยให้เห็นผลงานสร้างสรรค์บางชิ้นของทีม ได้แก่ แจกัน ชาม และทรงกลมกลวง ที่ซ่อนอยู่ภายในอีกชิ้นหนึ่ง เหมือนกับของใช้ในบ้านสำหรับตุ๊กตาทำรังของรัสเซีย แต่แทนที่จะทำจากไม้หรือดินเหนียว นักวิจัยได้ออกแบบวัตถุเหล่านี้จากโมเลกุลคล้ายเกลียวของ DNA งอและพับเป็นวัตถุสามมิติที่ซับซ้อนด้วยความแม่นยำระดับนาโนเมตร การสร้างสรรค์เหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของโปรแกรมซอฟต์แวร์โอเพ่นซอร์สใหม่ที่พัฒนาโดย Duke Ph.D. นักเรียน Dan Fu กับที่ปรึกษาของเขา John Reif ซอฟต์แวร์นี้ได้รับการอธิบายเมื่อวันที่ 23 ธันวาคมในวารสาร Science Advances ว่าผู้ใช้สามารถใช้ภาพวาดหรือแบบจำลองดิจิทัลของรูปทรงโค้งมนและเปลี่ยนให้เป็นโครงสร้าง 3 มิติที่ทำจาก DNA โครงสร้างนาโนของ DNA ถูกรวบรวมและถ่ายภาพโดยผู้ร่วมเขียน Raghu Pradeep Narayanan และ Abhay Prasad ในห้องทดลองของศาสตราจารย์ Hao Yan ที่รัฐแอริโซนา วัตถุกลวงเล็กๆ แต่ละชิ้นมีขนาดไม่เกินสองล้านส่วนในหนึ่งนิ้ว มากกว่า 50,000 อันสามารถติดบนหัวของพินได้ แต่นักวิจัยกล่าวว่าสิ่งเหล่านี้เป็นมากกว่าแค่ประติมากรรมนาโน ซอฟต์แวร์นี้จะช่วยให้นักวิจัยสร้างภาชนะขนาดเล็กสำหรับส่งยา หรือแม่พิมพ์สำหรับการหล่ออนุภาคนาโนของโลหะที่มีรูปร่างเฉพาะสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ การสร้างภาพทางการแพทย์ และการใช้งานอื่นๆ สำหรับคนส่วนใหญ่ DNA คือพิมพ์เขียวของชีวิต คำแนะนำทางพันธุกรรมสำหรับสิ่งมีชีวิตทุกชนิด ตั้งแต่นกเพนกวินไปจนถึงต้นป็อปลาร์ แต่สำหรับทีมอย่าง Reif's และ Yan's แล้ว DNA เป็นมากกว่าตัวนำข้อมูลทางพันธุกรรม - เป็นซอร์สโค้ดและวัสดุก่อสร้าง มี "ตัวอักษร" หรือฐานสี่ตัวในรหัสพันธุกรรมของ DNA ซึ่งจับคู่ในลักษณะที่คาดเดาได้ในเซลล์ของเราเพื่อสร้างขั้นบันไดของ DNA นี่คือคุณสมบัติการจับคู่เบสที่เข้มงวดของ DNA – A กับ T และ C กับ G – ที่นักวิจัยเลือกใช้ ด้วยการออกแบบสาย ดีเอ็นเอ ที่มีลำดับเฉพาะ พวกเขาสามารถ "ตั้งโปรแกรม" สายดีเอ็นเอให้ประกอบกันเป็นรูปร่างต่างๆ ได้ วิธีการนี้เกี่ยวข้องกับการพับ DNA สายเดี่ยวยาวหนึ่งหรือสองสามชิ้น ความยาวหลายพันเบส ด้วยความช่วยเหลือจาก DNA สายสั้นสองสามร้อยสายที่ผูกเข้ากับลำดับเสริมบนสายยาวและ "เย็บ" ให้เข้าที่ นักวิจัยได้ทำการทดลองกับ DNA เป็นวัสดุก่อสร้างตั้งแต่ทศวรรษที่ 1980 รูปร่าง 3 มิติรูปแบบแรกคือลูกบาศก์ ปิรามิด ลูกฟุตบอล รูปทรงเรขาคณิตที่มีพื้นผิวหยาบและเป็นก้อน แต่การออกแบบโครงสร้างที่มีพื้นผิวโค้งคล้ายกับที่พบในธรรมชาตินั้นค่อนข้างยุ่งยาก เป้าหมายของทีมคือการขยายช่วงของรูปร่างที่เป็นไปได้ด้วยวิธีนี้ ในการทำเช่นนั้น Fu ได้พัฒนาซอฟต์แวร์ที่เรียกว่า DNAxiS ซอฟต์แวร์อาศัยวิธีการสร้างด้วย DNA ที่อธิบายไว้ในปี 2554 โดย Yan ซึ่งเป็น postdoc กับ Reif ที่ Duke เมื่อ 20 ปีก่อนก่อนที่จะเข้าร่วมคณะที่รัฐแอริโซนา มันทำงานโดยการขดเกลียวเกลียวคู่ DNA ยาวให้เป็นวงแหวนศูนย์กลางที่เรียงซ้อนกันเพื่อสร้างรูปทรงของวัตถุ เหมือนกับการใช้ขดดินเหนียวทำหม้อ เพื่อให้โครงสร้างแข็งแรงขึ้น ทีมงานยังได้เสริมความแข็งแรงด้วยชั้นเพิ่มเติมเพื่อเพิ่มความมั่นคง Fu แสดงรูปร่างที่หลากหลายที่พวกเขาสามารถทำได้: กรวย, น้ำเต้า, รูปทรงใบโคลเวอร์ DNAxiS เป็นเครื่องมือซอฟต์แวร์ตัวแรกที่ให้ผู้ใช้ออกแบบรูปร่างดังกล่าวได้โดยอัตโนมัติ โดยใช้อัลกอริทึมเพื่อกำหนดตำแหน่งที่จะวาง "ลวดเย็บ" DNA แบบสั้นเพื่อเชื่อมวงแหวน DNA ที่ยาวกว่าเข้าด้วยกันและยึดรูปร่างให้เข้าที่ “หากมีน้อยเกินไปหรืออยู่ผิดตำแหน่ง โครงสร้างก็จะไม่ถูกต้อง” Fu กล่าว "ก่อนที่จะมีซอฟต์แวร์ของเรา ความโค้งของรูปทรงทำให้สิ่งนี้เป็นปัญหาที่ยากเป็นพิเศษ" ตัวอย่างเช่น เมื่อพิจารณาจากแบบจำลองรูปร่างเห็ด คอมพิวเตอร์จะแยกรายการของสายดีเอ็นเอที่จะประกอบกันเป็นโครงร่างที่ถูกต้อง เมื่อเส้นใยถูกสังเคราะห์และผสมในหลอดทดลอง ส่วนที่เหลือจะดูแลตัวเองโดยการให้ความร้อนและทำให้ส่วนผสมของ DNA เย็นลงภายในเวลาเพียง 12 ชั่วโมง "มันจะพับเป็นโครงสร้างนาโนของ DNA อย่างน่าอัศจรรย์" Reif กล่าว นักวิจัยกล่าวว่าการใช้งานจริงของซอฟต์แวร์ออกแบบ DNA ในห้องแล็บหรือคลินิกอาจใช้เวลาหลายปี แต่ "มันเป็นก้าวสำคัญในแง่ของการออกแบบอัตโนมัติของโครงสร้างสามมิติแบบใหม่" Reif กล่าว