DNA-robotar förklarade: Framtiden för medicin och datorteknik

Robotanvändning utvecklas snabbt, driven av sjunkande kostnader, ökande efterfrågan och integrationen av artificiell intelligens (AI).

Enligt World Robotics 2025-statistik om industrirobotar installerades 542 000 robotar 2024. Detta markerade “den andra högsta årliga installationsantalet för industrirobotar i historien – bara 2% lägre än den högsta nivån för två år sedan”, sa Takayuki Ito, president för International Federation of Robotics.

Förutom fabriksgolven används robotar också aktivt på flygplatser, jordbruksfält, kontor, militären och i rymden när de utvecklas från styva, förprogrammerade maskiner till anpassningsbara, intelligenta system.

Robotar är inte längre bara mekaniska armar; snarare blir de smartare, mindre och mycket mer mångsidiga tack vare framstegen inom materialvetenskap, miniatyrisering och AI.

Detta har resulterat i en djupgående transformation inom medicin, där kirurgiska robotar möjliggör minimalt invasiva procedurer med en noggrannhet som inte tidigare har uppnåtts. Mikrorobotik och bioingenjörssystem lovar riktade terapier som kan minska bieffekterna avsevärt.

Till och med idén om maskiner som opererar inuti den mänskliga kroppen är snabbt på väg att bli en vetenskaplig verklighet.

In i eran av molekylär robotik

En ny front inom robotik är en ny klass av mikroskopiska maskiner byggda av DNA och utformade för att fungera inuti den mänskliga kroppen.

Begreppet DNA-nanoteknik introducerades för flera decennier sedan av professor Nadrian Seeman, som allmänt erkänns som fältets grundare. Framstegen inom området har dock varit långsamma under de tidiga åren på grund av höga kostnader och ofullkomligheten i DNA-syntesteknologier.

Framsteg inom DNA-kemisk syntes i början av 2000-talet sänkte produktionskostnaderna avsevärt och accelererade utvecklingen av DNA-nanoteknik.

Ett stort genombrott inträffade faktiskt för två decennier sedan, när Paul Rothemund introducerade DNA-origamitekniken, som möjliggjorde skapandet av nanostrukturer genom bottom-up DNA-självmontering och har sedan blivit en av de mest använda strategierna för att konstruera DNA-robotar.

Dessa små enheter är byggda av biologiska molekyler som kan navigera i kroppen, interagera med celler och utföra mycket specifika uppgifter. Eftersom dessa system är byggda av samma grundläggande material som finns i kroppen, till skillnad från traditionella robotar, kan de fungera sömlöst inom biologiska miljöer.

En ny studie publicerad i tidskriften SmartBot¹ belyser bara hur långt detta område har kommit. Den visar tillväxten av DNA-maskiner från tidiga idéer till mer komplexa, praktiska och kapabla system som en dag kan leverera läkemedel direkt till sjuka celler eller till och med identifiera och neutralisera virus inuti kroppen.

Deras potential sträcker sig mycket längre och omfattar enkelt molekylanalys, atomnivånanofabricering och till och med byggande av extremt små datorer och data lagringssystem.

I sin detaljerade översikt förklarar forskare från Peking universitet (PKU) hur DNA används för att skapa fungerande maskiner. Samma DNA, deoxyribonukleinsyra, som bär genetisk information i nästan alla levande organismer, används här. Det är ett idealt och mångsidigt byggnadsmaterial för att konstruera mikroskopiska robotar med komplexa geometrier, exakt definierade dimensioner och multifunktionella förmågor.

Det beror på DNA:s lätthet att syntetisera, dess förmåga till exakt självmontering, dess strukturstabilitet och dess programmerbarhet. Molekylerna erbjuder en särskilt unik fördel i “mekanisk programmerbarhet”, noterade studien. Medan enkelsträngar (ssDNA) ger flexibilitet, tillför dubbelsträngade sektioner (dsDNA) struktur till designen, och tillsammans ger de ett tydligt designtverktyg.

På grund av dessa egenskaper, tillsammans med framsteg inom strukturell DNA-nanoteknik, har DNA-robotar, ofta kallade DNA-nanomaskiner och nanorobotar, snabbt utvecklats.

För att skapa dessa små robotar kombinerar forskare traditionell robotik med DNA-vikningstekniker, vilket möjliggör rörelse och tillförlitlig uppgiftsprestation med hög noggrannhet.

DNA-robotar är fortfarande i tidiga stadier, men de står inför betydande hinder. Trots utmaningarna fortsätter området att utvecklas när forskare lär sig att designa DNA-strukturer som kan böja, gripa, vika och röra sig på kommando.

Detta arbete understryker en framtid där dessa programmerbara biologiska maskiner kan fungera som precisionsverktyg för diagnos, behandling och sjukdomsförebyggande, och potentiellt förvandla medicin i grunden.

“Robotarna i morgon kommer inte att vara gjorda av metall och plast”, noterade forskarteamet. De kommer att vara biologiska, programmerbara och intelligenta. De kommer att vara verktygen som tillåter oss att slutligen bemästra den molekylära världen.

Att knäcka utmaningen med molekylär rörelse

För att bygga molekylära maskiner har forskare undersökt DNA under lång tid och utforskat hur det kan konstrueras till fungerande maskiner.

Designen av tidiga DNA-enheter var mycket enkel; de kunde öppna och stänga eller röra sig längs en bana. Medan de var enkla visade de att rörelse på molekylär nivå var möjlig.

Nu går forskare längre med kreativa designmetoder, inklusive införande av flexibla komponenter, konstruktion av fasta DNA-leder för stabilitet och användning av origami-inspirerad vikning.

I DNA-origami viks långa strängar till komplexa former. Forskare använder hundratals mindre strängar för att vägleda en enda sträng till detaljerade former som lådor, burar och kugghjul. Medan vissa design kan ha tusentals komponenter kan andra fungera som små strömbrytare, gångare eller gripande enheter.

Forskare tillämpar principer från traditionell, stor skalrobotik på nanoskalan, vilket möjliggör för DNA-baserade system att utföra upprepad, kontrollerad uppgifter.

Men att förvandla DNA till maskiner kräver inte bara struktur utan också rörelse, och den extremt små storleken på dessa DNA-robotar utgör ett stort hinder för att styra deras rörelse i den kaotiska, ständigt föränderliga molekylära miljön.

För att kontrollera hur dessa maskiner rör sig har forskare utvecklat system som möjliggör att dessa maskiner beter sig på förutsägbara sätt. Detta inkluderar biokemiska reaktioner och fysiska signaler som värme, ljus, magnetfält och elektriska fält.

När det gäller biokemisk kontroll använder forskare DNA-strängsförskjutning, en process som möjliggör exakt programmering av rörelse med hjälp av “bränsle” och “struktur” DNA-sekvenser. Här sparkar en sträng ut en annan från positionen, vilket fungerar som en molekylär strömbrytare som kan utlösa en bestämd rörelse.

Men varje metod medför kompromisser, vilket kräver att forskare balanserar noggrannhet mot hastighet.

Till exempel ger kemisk kontroll noggrannhet och mångfald, men producerar avfalls molekyler och kräver omfattande experimentell screening. Samtidigt påverkar yttre fysiska signaler omgivande system snabbt, men de har svårt att möjliggöra oberoende lednivåkontroll.

Genom att kombinera dessa strategier tillhandahåller forskare ett verktyg för att finjustera beteendet hos DNA-maskiner med stor noggrannhet. När det gäller tillämpningen av dessa mikroskopiska maskiner noterar studien att de går långt utöver laboratoriet.

Till att börja med kan DNA-robotar vara till stor hjälp inom precisionsmedicin, där de kan fungera som “nano-kirurger” inuti kroppen, identifiera sjuka celler och leverera terapier till dessa celler.

I ett exempel på DNA-robot fångades SARS-CoV-2 från saliv inom en halv timme med hjälp av fyra flexibla fingrar, och den fungerade lika bra som konventionella laboratorietester. I ett annat fall bar roboten ett koagulationsläkemedel till tumörblodkärl i möss och levererade det endast när den hade nått målet, vilket visar dess potential som ett autonomt läkemedelsleveranssystem.

DNA-robotar kan också fungera som programmerbara mallar för att ordna material, vilket möjliggör molekylära optiska enheter, datorer och ultra-täta datalagringssystem som är mer effektiva än nuvarande teknologi.

DNA-vägledare, nanopartiklar och ljuskällor har redan arrangerats i ordnade mönster. I relaterade experiment har forskare också skrivit kemiska märken på syntetisk DNA och kodat bilder utan att skriva om varje bas. Så möjligheterna med dessa DNA-maskiner är helt enkelt utmärkta.

Men naturligtvis är allt detta fortfarande i tidiga experimentella stadier. Som de förblir långt ifrån praktiska, verkliga världstillämpningar, är dessa DNA-robotar bäst förstådda som bevis för konceptet.

I själva verket möter förverkligandet av dessa maskiner flera utmaningar. Skalbarhet är ett av problemen.

När vi flyttar från storskaliga system till nanoskala (∼100 nm, cirka 1/500 till 1/1000 av bredden på ett mänskligt hår) blir den exakta kontrollen av dessa maskiner svår på grund av Brownsk rörelse, som är den lilla, slumpmässiga rörelsen av nanopartiklar, och termiska fluktuationer. Studien noterade:

“Även om makroskopisk robotik erbjuder värdefulla konceptuella och analytiska ramverk, kräver översättningen av dess principer till molekyl- och nanoskalan en djup omdefinition av mekanisk design och rörelsekontroll under stokastiska, termodynamiska och biokemiska begränsningar.”

Det är därför många befintliga DNA-robotdesigner är enkla och fungerar i isolering. Deras användbarhet i komplexa, verkliga miljöer är också begränsad.

Men framtida system måste vara skalbara, omkonfigurerbara och funktionellt integrerade, vilket beror på antagandet av avancerad moduläritet och översättning av makroskala mekaniska principer till molekylär nivå.

Sedan finns det frågan om kunskapsluckor. Även idag saknar forskare detaljerad information om och förståelse för de mekaniska egenskaperna hos DNA-strukturer. Datorbaserad modellering och simuleringsverktyg för att förutsäga hur dessa strukturer beter sig på sådana mikroskopiska skalor är inte ännu fullt utvecklade.

Tillverkning utgör ett annat hinder. Att producera identiska DNA-maskiner i stor skala är nödvändigt för deras verkliga världstillämpningar, men det kräver kostnadseffektiva, högavkastande och tillförlitliga metoder som fortfarande är svåra att uppnå.

Att övervinna alla dessa hinder, säger studien, kräver samarbete över discipliner: mekanisk ingenjörskonst, datavetenskap, medicin, kemi och biologi.

Mer specifikt föreslår forskare lösningar som att förbättra biotillverkningsmetoder, skapa standardiserade DNA-“delbibliotek” och använda AI för att förbättra design och simulering.

Djupinlärning och LLM:er, enligt studien, presenterar “transformerande möjligheter för att förbättra designen och analysen av DNA-maskiner” samt simulering och dynamisk analys. Teknologin kan avslöja strukturmodeller från stora datamängder, förutsäga vikningsvägar, optimera sekvenskonfigurationer och automatisera designutvärdering, vilket avsevärt accelererar innovationscykeln.

Framsteg inom dessa områden kommer att hjälpa till att skala DNA-robotar och integrera dem i praktiska tillämpningar inom vetenskap, hälsovård, tillverkning och bortom.

Att investera i DNA-robotteknik

I världen av medicinsk robotik sticker Illumina, Inc. ut med sin kärnkompetens inom DNA-teknologier och stark position inom genomikdriven medicin. Medan företaget inte bygger DNA-robotar själv är det en stor aktör i hela ekosystemet som möjliggör sådana innovationer.

En global ledare inom DNA-sekvensering tillhandahåller företaget de grundläggande verktygen som möjliggör forskning inom DNA-baserade system, inklusive DNA-nanoteknik och robotik. Det är också djupt involverat i övergången till personlig och molekylär medicin.

Företagets produkter används inom forskning och klinisk verksamhet samt inom onkologi, livsvetenskap, reproduktiv hälsa, jordbruk och andra segment. Kunderna inkluderar akademiska institutioner, genomicsforskningscenter, sjukhus, statliga laboratorier, kommersiella molekylära diagnostiklaboratorier, bioteknik-, läkemedels- och konsumentgenetikföretag.

Illuminas mål är att förbättra människors hälsa genom att låsa upp genomens kraft. För bara en månad sedan tillkännagav Illumina ett strategiskt samarbete med Veritas Genetics för att ta med helgenomsekvensering in i vardagsvården via försäkringssystem.

Detta samarbete stöder ett integrerat dataekosystem för att främja forskning, läkemedelsupptäckt och klinisk prövningsoptimering. Mer viktigt är att det markerar en övergång från att behandla sjukdomar till att förutsäga och förebygga dem med hjälp av genetisk data.

“Genomik är alltmer på väg uppströms i hälsovården, från att diagnostisera sjukdomar till att hjälpa till att förhindra dem”, sa Rami Mehio, general manager, BioInsight på Illumina. “Genom att kombinera Illuminas sekvensering och informationsryggrad med Veritas patientklara rapportering representerar detta samarbete ett viktigt steg framåt i att göra förebyggande genetik praktisk, tillgänglig och integrerad i vardagsvården.”

En månad tidigare introducerade Illumina Billion Cell Atlas, världens största genomsomfattande genetiska perturbationsdataset, som kan göra DNA-robotar praktiska och programmerbara.

Denna enorma dataset kartlägger hur miljarder celler svarar på genetiska förändringar, byggd med CRISPR och sekvensering. Det första delen av företagets program för att bygga en 5 miljarders cellatlas under tre år, som kommer att göra det “den mest omfattande kartan över mänsklig sjukdomsbiologi hittills”, är utformat för att träna AI-modeller och accelerera läkemedelsupptäckt i samarbete med Merck, AstraZeneca och Eli Lilly and Company.

“Vi tror att cellatlasen är en nyckelutveckling som kommer att låta oss skala upp AI för läkemedelsupptäckt avsevärt”, sa Illumina CEO Jacob Thaysen. “Vi bygger en oöverträffad resurs för att träna nästa generation av AI-modeller för precisionsmedicin och läkemedelsmålidentifiering, vilket i slutändan hjälper till att kartlägga de biologiska vägarna bakom några av världens mest förödande sjukdomar.”

Mitt i dessa framsteg handlas Illuminas aktier, med en marknadsstorlek på 19,5 miljarder dollar, för 127,74 dollar, upp 74% under det senaste året. Dess EPS (TTM) är 5,48, och P/E (TTM) är 23,32.

När det gäller Illuminas finansiella styrka rapporterade företaget 1,16 miljarder dollar i intäkter för fjärde kvartalet 2025, en ökning med 5% jämfört med Q4 24. Dess GAAP-operativa marginal var 17,4%, och dess icke-GAAP-operativa marginal var 23,7%, medan GAAP-diluerad EPS var 2,16 och icke-GAAP-diluerad EPS var 1,35.

Under denna period var kapitalutgifterna 54 miljoner dollar, medan kassaflödet från verksamheten var 321 miljoner dollar. Vid årets slut hade företaget 1,63 miljarder dollar i kontanter, kontanter och kortfristiga investeringar.

För det fullständiga räkenskapsåret 2025 rapporterade Illumina en omsättning på 4,34 miljarder dollar. Medan dess GAAP-operativa marginal var 18,6%, var dess icke-GAAP-operativa marginal 23,1%, dess GAAP-diluerade EPS var 5,45 och dess icke-GAAP-diluerade EPS var 4,84.

Föregående års kapitalutgifter uppgick till 148 miljoner dollar, medan kassaflödet från verksamheten var 1,1 miljarder dollar och det fria kassaflödet var 931 miljoner dollar.

När han talade om det “starka slutet på 2025” sa Thaysen att detta markerar “en återgång till tillväxt genom disciplinerad verkställighet av vår strategi”, med momentum byggt i den andra halvan av förra året, särskilt med den ökande antagandet av NGS-baserad testning på kliniska marknader.

Notabelt lyckades Illumina göra framsteg i Kina, där exportförbudet på dess sekvenseringsutrustning hävdes. Men det förblir på listan över opålitliga enheter (UEL), vilket kräver godkännande för inköp av instrument.

För det nuvarande året förväntar sig Illumina en ökning av intäkterna med 4% till 6% till 4,5 miljarder dollar och 4,6 miljarder dollar. Tillväxten inkluderar 1,5% till 2% fördel från den nyligen avslutade SomaLogic-förvärvet, som utvidgar företagets multiomics-portfölj och stärker dess position inom NGS-aktiverad proteomik.

Senaste Illumina, Inc. (ILMN) aktie nyheter och utvecklingar

Slutsats

Robotar har omdefinierat vad maskiner kan uppnå. De har förbättrat produktivitet, säkerhet och upptäckt över flera domäner. Från industriell automation till planetär utforskning framhäver den fortsatta utvecklingen av robotar en bredare trend mot mer kapabla system som integreras djupare i våra liv.

Inom medicin möjliggör uppkomsten av biologiskt kompatibla robotar som DNA-baserade system en aldrig tidigare skådad precision i läkemedelsleverans och viral målinriktning.

Viktigare är att dessa system lovar inte bara mer precisa behandlingar och förbättrade patientresultat utan också ett nytt sätt att studera processer på molekylär nivå och bygga mindre, kraftfullare enheter genom DNA-styrd montering.

Medan betydande utmaningar i skalbarhet, stabilitet och långsiktig säkerhet måste lösas innan dessa teknologier kan flytta från laboratorieforskning till klinisk praxis, är de potentiella fördelarna betydande. Och när robotiken fortsätter att minska i storlek och expandera i kapacitet, kan den tillhandahålla en framtid där medicin utförs intelligent från insidan.

Klicka här för att lära dig om AI kan skriva om vår DNA.

Referenser

1. Xu, N., Zhang, X., Liu, Y., Wang, C., Li, J., Chen, Z., Zhao, H., Sun, K., Zhou, Q., Yang, F., Wu, T., Guo, S., Li, Y., Huang, J., Deng, D. & Bao, X. Designer DNA-based machines. SmartBot (2026). https://doi.org/10.1002/smb2.70029