Ingeniører banker på DNA for at oprette naturtro maskiner

Som et genetisk materiale, DNA er ansvarlig for alt kendt liv. Men DNA er også en polymer. Ved at udnytte molekylets unikke natur, Cornell ingeniører har skabt enkle maskiner konstrueret af biomaterialer med egenskaber af levende ting.

Ved hjælp af det, de kalder DASH (DNA-baseret samling og syntese af hierarkiske) materialer, Cornell ingeniører konstruerede et DNA -materiale med metabolisme, ud over selvsamling og organisering-tre vigtige træk ved livet.

"Vi introducerer et helt nyt, naturtro materialekoncept drevet af sit helt eget kunstige stofskifte. Vi laver ikke noget, der lever, men vi skaber materialer, der er meget mere naturtro end nogensinde er set før, "sagde Dan Luo, professor i biologi og miljøteknik ved College of Agriculture and Life Sciences.

Papiret, "Dynamisk DNA -materiale med fremtrædende bevægelsesadfærd drevet af kunstig metabolisme, "udgivet 10. april i Science Robotics .

For enhver levende organisme at opretholde sig selv, der skal være et system til at styre forandringer. Nye celler skal genereres; gamle celler og affald skal fejes væk. Biosyntese og biologisk nedbrydning er nøgleelementer i selvbærende bæredygtighed og kræver stofskifte for at bevare dets form og funktioner.

Gennem dette system, DNA -molekyler syntetiseres og samles i mønstre på en hierarkisk måde, resulterer i noget, der kan fastholde en dynamik, autonom proces med vækst og forfald.

Ved hjælp af DASH, Cornell -ingeniørerne skabte et biomateriale, der autonomt kan komme ud af sine nanoskala byggesten og ordne sig selv - først i polymerer og til sidst mesoskala former. Ud fra en 55-nukleotidbasefrø-sekvens, DNA -molekylerne blev ganget flere hundrede tusinde gange, skaber kæder med gentaget DNA et par millimeter i størrelse. Reaktionsopløsningen blev derefter injiceret i en mikrofluidisk indretning, der gav en væskestrøm af energi og de nødvendige byggesten til biosyntese.

Da strømmen skyllede over materialet, DNA syntetiserede sine egne nye tråde, med forenden af ​​materialet, der vokser, og halenden nedbrydes i optimeret balance. På denne måde, den lavede sin egen bevægelse, snigende fremad, mod strømmen, på en måde, der ligner, hvordan slimforme bevæger sig.

Lokomotivens evne tillod forskerne at sætte sæt af materialet mod hinanden i konkurrencedygtige løb. På grund af tilfældigheder i miljøet, den ene krop ville i sidste ende få en fordel i forhold til den anden, så man først kunne krydse en målstrege.

"Designene er stadig primitive, men de viste en ny vej til at skabe dynamiske maskiner ud fra biomolekyler. Vi er på et første trin i at bygge naturtro robotter ved kunstig metabolisme, "sagde Shogo Hamada, foredragsholder og forskningsassistent i Luo -laboratoriet, og leder og medsvarende forfatter af papiret. "Selv fra et simpelt design, vi var i stand til at skabe sofistikeret adfærd som racing. Kunstig metabolisme kan åbne en ny grænse inden for robotik. "

Ingeniørerne undersøger i øjeblikket måder at få materialet til at genkende stimuli og autonomt kunne opsøge det i tilfælde af lys eller mad, eller undgå det, hvis det er skadeligt.

Det programmerede stofskifte indlejret i DNA -materialer er nøgleinnovationen. DNA'et indeholder instruktionssæt for metabolisme og autonom regenerering. Efter det, det er i sig selv.

"Alt fra dets evne til at bevæge sig og konkurrere, alle disse processer er selvstændige. Der er ingen ekstern interferens, "Sagde Luo." Livet begyndte milliarder af år fra måske kun et par slags molekyler. Dette kan være det samme. "

Det materiale, teamet har oprettet, kan vare i to cykler af syntese og nedbrydning, før det udløber. Levetiden kan sandsynligvis forlænges, ifølge forskerne, åbner muligheden for flere "generationer" af materialet, når det selvreplikerer. "Ultimativt, systemet kan føre til naturtro selvgengivende maskiner, "Sagde Hamada.

"Mere spændende, brugen af ​​DNA giver hele systemet en selvudviklende mulighed, "Sagde Luo." Det er enormt. "

Teoretisk set det kunne være designet, så efterfølgende generationer dukker op inden for få sekunder. Reproduktion i dette hyper tempo ville drage fordel af DNA's naturlige mutationsegenskaber og fremskynde den evolutionære proces, ifølge Luo.

I fremtiden, systemet kunne bruges som en biosensor til at detektere tilstedeværelsen af ​​ethvert DNA og RNA. Konceptet kunne også bruges til at skabe en dynamisk skabelon til fremstilling af proteiner uden levende celler.

Der er patentanmeldt hos Center for Technology Licensing.