Na první pohled působí jako sci-fi: vědci dokáží „naprogramovat“ molekuly DNA tak, aby se samy skládaly do přesně definovaných tvarů. Výsledkem jsou složité 3D struktury, které by klasické výrobní metody nedokázaly vytvořit ani s nejmodernější technologií. Tento přístup, inspirovaný přírodními procesy, umožňuje postavit na úrovni nanometrů konstrukce podobné krystalům, miniaturizované elektronice nebo světelným senzorům.

Tým vedený profesorem Olegem Gangem z Columbia University spolupracuje s Brookhaven National Laboratory a využívá jeden z nejdůležitějších stavebních bloků života – DNA. Pomocí ní vytvářejí tzv. voxely, miniaturní stavební jednotky podobné kostičkám v 3D puzzlu. Každý voxel je naprogramován tak, aby se připojil k ostatním do přesného tvaru. Celý proces probíhá sám od sebe, pouze ve vodním prostředí, bez potřeby složitého gravírování nebo litografie.

Zdroj: Shutterstock

Limity klasických technologií a proč DNA mění pravidla

Tradiční výroba elektroniky spoléhá na postupy „shora dolů“. Nejznámější je fotolitografie, která využívá světlo a masky k vytváření miniaturních obvodů na čipech. Problém je, že u složitých 3D struktur tento přístup přestává fungovat. I 3D tisk má své limity – na úrovni nanometrů prostě není dostatečně přesný.

Nová metoda využívající DNA jde opačnou cestou: místo toho, aby se složité struktury vyrývaly nebo tiskly po jednotlivých vrstvách, materiál se skládá sám. Stačí definovat, jak má výsledný tvar vypadat, a DNA udělá zbytek. Díky tomu vznikají struktury, které by jinak bylo prakticky nemožné vyrobit.

Od světelných senzorů po optické počítače

Výzkum má obrovský potenciál v mnoha oborech. Gangův tým už demonstroval několik praktických aplikací:

• 3D světelné senzory na čipech – struktury z DNA pokryté světlocitlivým materiálem dokáží reagovat na různé vlnové délky světla, což je klíčové pro nové generace fotonických zařízení.
• Materiály pro solární panely – vědci napodobují uspořádání krystalů, které dokážou lépe absorbovat světlo a zvýšit účinnost přeměny energie.
• Optické výpočetní systémy – experimentují s konstrukcemi, které odrážejí světlo přesně řízeným způsobem. Tyto prvky by mohly v budoucnu nahradit klasické tranzistory v tzv. optických počítačích.
• Neuronové obvody – díky propojení milionů nanočástic se otevírá možnost vytvářet zařízení, která napodobují propojení lidského mozku.

Voda místo chemikálií a „3D tisk budoucnosti“

Proces má ještě jednu zásadní výhodu – je ekologický. Vše probíhá ve vodě, bez nutnosti používat agresivní chemikálie. Vzniká tak technologie, která šetří čas, energii i životní prostředí.

Gang přirovnává tento postup k „3D tisku nové generace“. Zatímco klasický 3D tisk staví objekty vrstvu po vrstvě, DNA umožňuje masivně paralelní výrobu. Jinými slovy – tisíce prvků se skládají najednou, což dramaticky zrychluje celý proces.

Algoritmus MOSES: kdy software navrhuje DNA

Vytvořit složitou 3D strukturu vyžaduje přesné plánování. Vědci proto vyvinuli algoritmus MOSES (Mapping Of Structurally Encoded aSsembly), který funguje jako jakýsi nano-CAD. Uživatel definuje, jak má výsledná struktura vypadat, a software spočítá, jaké DNA sekvence budou potřeba.

DNA pak vytvoří malé stavební jednotky – voxely – které se skládají jako puzzle. Do těchto „kostek“ lze dokonce vkládat různé nanočástice: zlato pro jedinečné optické vlastnosti, biologické molekuly pro medicínu nebo polovodiče pro elektroniku. Když je struktura hotová, vědci ji „zakonzervují“ povlakem ze skla, který zajišťuje dlouhou životnost a stabilitu.

Gangův tým vidí ve své metodě základ pro celou novou generaci materiálů a technologií. V oblasti neuromorfního výpočetnictví by mohla DNA pomoci vytvářet obvody inspirované strukturou lidského mozku. Ve fotonice zase nabízí možnost stavět optické čipy, které přenášejí informace rychlostí světla.

Výroba složitých nanostruktur, která dříve trvala týdny, se díky této metodě smrskne na hodiny. Pokud se podaří technologii dostat z laboratoří do praxe, může to znamenat revoluci v tom, jak stavíme elektroniku, senzory, lékařské materiály i nové typy počítačů.