Programmering med lyskontakten

I udviklingen af ​​autonome systemer og materialer, selvsamlende molekylære strukturer styret af kemiske reaktionsnetværk er stadig vigtigere. Imidlertid, der mangler simple eksterne mekanismer, der sikrer, at komponenterne i disse reaktionsnetværk kan aktiveres på en kontrolleret måde.

Et forskerhold ledet af Prof. Dr. Andreas Walther og Prof. Dr. Henning Jessen fra Cluster of Excellence Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) og Jie Deng fra Institute of Macromolecular Chemistry ved University of Freiburg er de første til at vise, hvordan individuelle komponenter i selvsamlende DNA-baserede strukturer kan aktiveres og styres ved hjælp af lysreaktivt foto skifter. Forskerne har offentliggjort deres resultater i tidsskriftet Angewandte Chemie .

Ved hjælp af biologiske modeller såsom mikrotubuli udvikler forskerne selvsamlende strukturer. Mikrotubuli er proteinkomplekser, der danner en dynamisk stilladsstruktur i planters celler, dyr og mennesker. Deres selvsamlende struktur betyder, at mikrotubuli konstant dannes og nedbrydes på samme tid. Dette gør det muligt for stilladset let at tilpasse sig skiftende situationer og reagere hurtigt på stimuli ved at omarrangere byggestenene. Disse processer er drevet af en konstant spredning af energi, dvs. en omdannelse af energi, som organismen regulerer via feedback-mekanismer. Strukturerne af autonomt virkende materialer, såsom dem, der er udviklet af forskerne i livMatS-klyngen af ​​ekspertise, skulle være tilsvarende tilpasningsdygtige i fremtiden. Dette kan opnås med systemer, hvor en energetisk aktivering og deaktivering finder sted, hvilket forårsager strukturel dannelse og nedbrydning af byggesten.

I deres arbejde, Freiburg-forskerne tilføjer energileverandøren adenosintrifosfat (ATP) til DNA-byggestenene i et sådant system. Forskerne har installeret molekylære fotoswitches på den ene side af ATP'en. Disse reagerer på lys ved at falde, når de specifikt bestråles, og frigive ATP som et effektivt brændstofmolekyle for systemet. Styringen af ​​fotoswitchene er påvirket af lysets bølgelængde, varigheden af ​​bestrålingen og lysintensiteten. Den specifikke aktivering af ATP udløser igen en proces:Et enzym lukker en binding, der danner længere strenge fra DNA-monomererne. Et andet enzym, som kan genkende og skære DNA på bestemte positioner, spalter bindingsstederne igen. Dette resulterer i en samtidig dannelse og nedbrydning af byggestenene. Under denne proces kombineres de individuelle DNA-byggesten og danner en polymer.

"Vores langsigtede mål er at bruge det biologiske brændstof ATP til at udvikle syntetiske materialer, der i det mindste udvisker grænsen mellem levende og dødt stof, " forklarer Andreas Walther. "Hvis vi er i stand til at bruge ATP som brændstof og omdanne kemisk energi til arbejde, vi kan designe den næste generation af implantatmaterialer, der aktivt kan ændre sig og virkelig interagere med den menneskelige krop."