Nhìn vào các cấu trúc kích thước nano nhỏ xuất hiện từ các phòng thí nghiệm nghiên cứu của Đại học Duke và Đại học bang Arizona, thật dễ dàng để tưởng tượng rằng bạn đang duyệt qua một danh mục đồ gốm nhỏ nhất thế giới.

Các cấu trúc nano được xây dựng bằng phần mềm cho phép các nhà nghiên cứu thiết kế các vật thể từ DNA. Các mô hình (trên cùng) với hình ảnh kính hiển vi điện tử của các đối tượng (dưới cùng). Tín dụng hình ảnh: Raghu Pradeep Narayanan và Abhay Prasad, phòng thí nghiệm Yan, Đại học bang Arizona

Một bài báo mới tiết lộ một số sáng tạo này: những chiếc bình nhỏ, bát và quả cầu rỗng, cái này ẩn bên trong cái kia, giống như đồ gia dụng cho búp bê làm tổ của Nga.

Nhưng thay vì làm chúng từ gỗ hoặc đất sét, các nhà nghiên cứu do Quỹ Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ hỗ trợ đã thiết kế những vật thể này từ các phân tử DNA giống như sợi chỉ, uốn cong và gấp lại thành các vật thể 3D phức tạp với độ chính xác nanomet.

Những sáng tạo này thể hiện khả năng của một chương trình phần mềm mã nguồn mở mới do các nhà nghiên cứu của Duke là Dan Fu và John Reif phát triển. Nghiên cứu đăng trên tạp chí  Science Advances, phần mềm cho phép người dùng lấy các bản vẽ hoặc mô hình kỹ thuật số có hình dạng tròn và biến chúng thành cấu trúc 3D làm từ DNA.

Các cấu trúc nano DNA đã được các nhà nghiên cứu của ASU lắp ráp và chụp ảnh. Mỗi vật thể rỗng nhỏ xíu có bề ngang không quá 2 phần triệu inch. Hơn 50.000 trong số chúng có thể nằm gọn trên đầu một chiếc ghim.

Nhưng các nhà nghiên cứu cho biết đây không chỉ là những tác phẩm điêu khắc nano đơn thuần. Phần mềm này có thể cho phép các nhà nghiên cứu tạo ra các thùng chứa nhỏ để vận chuyển thuốc hoặc khuôn để đúc các hạt nano kim loại có hình dạng cụ thể cho pin mặt trời, hình ảnh y tế và các ứng dụng khác.

Đối với hầu hết mọi người, DNA là bản thiết kế của sự sống — chỉ dẫn di truyền cho mọi sinh vật sống, từ chim cánh cụt đến cây dương. Nhưng đối với những nhà nghiên cứu này, DNA không chỉ là vật mang thông tin di truyền; đó là mã nguồn và vật liệu xây dựng.

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm DNA làm vật liệu xây dựng từ những năm 1980. Những hình dạng 3D đầu tiên là những hình khối đơn giản, kim tự tháp, quả bóng đá — những hình dạng hình học có bề mặt thô và khối. Nhưng việc thiết kế các cấu trúc có bề mặt cong giống với các cấu trúc tìm thấy trong tự nhiên là một việc khó. Mục đích của nhóm là mở rộng phạm vi các hình dạng có thể thực hiện được bằng phương pháp này.

Để làm được điều đó, Fu đã phát triển phần mềm có tên DNAxiS. Phần mềm dựa trên cách xây dựng bằng DNA do các nhà nghiên cứu của ASU phát triển. Nó hoạt động bằng cách cuộn một chuỗi xoắn kép DNA dài thành các vòng đồng tâm xếp chồng lên nhau để tạo thành các đường viền của vật thể, giống như sử dụng các cuộn đất sét để làm nồi. Để làm cho các cấu trúc chắc chắn hơn, nhóm nghiên cứu cũng có thể gia cố chúng bằng các lớp bổ sung.

Các nhà nghiên cứu cho biết các ứng dụng thực tế của phần mềm thiết kế DNA trong phòng thí nghiệm hoặc phòng khám có thể còn phải mất nhiều năm nữa, nhưng đó là một bước tiến trong thiết kế tự động các cấu trúc 3D mới.