En ny måde at skabe bløde robotter på - DNA-triggere, der får hydrogeler til at ændre form

Biokemiske ingeniører ved Johns Hopkins University brugte sekvenser af DNA-molekyler til at få vandbaserede geler til at ændre form, demonstrerer en ny taktik til at producere bløde robotter og "smart" medicinsk udstyr, der ikke er afhængige af besværlige ledninger, batterier, eller bindebånd.

Forskningen, overvåget af tre fakultetsmedlemmer i universitetets Whiting School of Engineering, er detaljeret online i dag i journalen Videnskab .

Holdmedlemmerne rapporterede, at deres proces brugte specifikke DNA-sekvenser kaldet "hårnåle" for at få en hydrogelprøve på centimeterstørrelse til at svulme op til 100 gange dens oprindelige volumen. Reaktionen blev derefter standset af en anden DNA-sekvens, døbt en "terminator-hårnål". Denne tilgang kunne gøre det muligt at væve bevægelige dele til bløde materialer, hvilken, sagde forskerne, kunne en dag spille en rolle i at skabe smarte materialer, metamorfe enheder, komplekse programmerede aktuatorer, og autonome robotter med potentielle marine og medicinske applikationer.

For at kontrollere, hvordan formskift forekommer i forskellige dele af målhydrogelen, forskerne tog udgangspunkt i computerindustrien. De brugte en fotomønsterteknik, der ligner den, der blev brugt til at lave små, men indviklede mikrochips. Forskellige biokemiske mønstre indlejret i forskellige områder af gelen blev designet til at reagere på specifikke DNA-instruktioner for at forårsage bøjning, folde, eller andre svar.

"DNA-sekvenser kan opfattes som en analog til computerkode, " sagde David Gracias, en professor ved universitetets Institut for Kemi- og Biomolekylær Teknik, og en af ​​to seniorforfattere til Science-artiklen. "Ligesom computersoftware kan styre specifikke opgaver, DNA-sekvenser kan få et materiale til at bøje eller udvide sig på en bestemt måde på et bestemt sted."

Dette er ikke en usædvanlig begivenhed i naturen, han tilføjede.

"Formændring er meget vigtig i biologi, " sagde Gracias. "Tænk på, hvordan en larve bliver til sommerfugl."

For at bekræfte deres evne til at kontrollere, hvilke hydrogel-mål, der blev aktiveret, teammedlemmer brugte DNA-sekvens-responsive blomsterformede hydrogeler. I hver "blomst, "to sæt kronblade blev fremstillet, og hvert sæt blev designet til kun at reagere på en af ​​to forskellige DNA-sekvenser. Når de udsættes for begge sekvenser, alle kronbladene foldede som svar. Men da de blot blev udsat for en af ​​sekvenserne, kun kronbladene matchede den sekvens foldet.

Holdet fremstillede også hydrogel-krabbeformede enheder, hvor antennerne, kløer, og ben hver krøllet sammen som svar på deres matchende DNA-sekvens. Krabbeanordningerne - en form valgt til ære for den populære fisk og skaldyr, som Maryland er kendt for - forblev i deres aktiverede tilstand i mindst 60 dage.

"Vi har været fascineret af, hvordan levende celler kan bruge kemiske signaler til at bestemme, hvordan de skal vokse eller bevæge sig og bruge kemisk energi til at drive sig selv, " sagde Rebecca Schulman, undersøgelsens anden seniorforfatter og en adjunkt i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab. "Vi ønskede at bygge maskiner, der kunne fungere på samme måde. Vores fremstillingsteknologi gør det muligt at designe meget komplicerede enheder i en række størrelser."