Kemisk oscillator. Kredit:Ella Maru Studio og Cody Geary
DNA -molekyler, der følger specifikke instruktioner, kan tilbyde mere præcis molekylær kontrol af syntetiske kemiske systemer, en opdagelse, der åbner døren for ingeniører til at skabe molekylære maskiner med ny og kompleks adfærd. Forskere har skabt kemiske forstærkere og en kemisk oscillator ved hjælp af en systematisk metode, der har potentiale til at integrere sofistikeret kredsløbsberegning i molekylære systemer designet til applikationer inden for sundhedspleje, avancerede materialer og nanoteknologi.
Resultaterne offentliggøres i tidsskriftet 15. december Videnskab .
Kemiske oscillatorer er længe blevet undersøgt af ingeniører og forskere. Forskerne, der opdagede den kemiske oscillator, der styrer den menneskelige døgnrytme - ansvarlig for vores krops dag- og natrytme - tjente Nobelprisen i 2017 i fysiologi eller medicin.
Selvom forståelsen af kemiske oscillatorer og andre biologiske kemiske processer har udviklet sig markant, forskere ved ikke nok til at kontrollere de kemiske aktiviteter i levende celler. Dette får ingeniører og forskere til at vende sig til syntetiske oscillatorer, der arbejder i reagensglas frem for i celler.
I den nye undersøgelse, David Soloveichik og hans forskerteam i Cockrell School of Engineering ved University of Texas i Austin viser, hvordan man programmerer syntetiske oscillatorer og andre systemer ved at bygge DNA -molekyler, der følger specifikke instruktioner.
Soloveichik, en adjunkt i Cockrell Schools afdeling for elektrisk og computerteknik, sammen med Niranjan Srinivas, en kandidatstuderende ved California Institute of Technology, og undersøgelsens medforfattere, har med succes konstrueret en første af sin slags kemisk oscillator, der bruger DNA-komponenter-og ingen proteiner, enzymer eller andre cellulære komponenter - demonstrerer, at DNA alene er i stand til kompleks adfærd.
Ifølge forskerne, deres opdagelse tyder på, at DNA kan være meget mere end blot et passivt molekyle, der udelukkende bruges til at bære genetisk information. "DNA kan bruges på en meget mere aktiv måde, "Sagde Soloveichik." Vi kan faktisk få det til at danse - med en rytme, hvis du vil. Dette tyder på, at nukleinsyrer (DNA og RNA) måske gør mere, end vi troede, som endda kan informere vores forståelse af livets oprindelse, da det er almindeligt antaget, at det tidlige liv udelukkende var baseret på RNA. "
Holdets nye syntetiske oscillator kunne en dag bruges i syntetisk biologi eller i helt kunstige celler, sikre, at visse processer sker i orden. Men svingning er blot et eksempel på sofistikeret molekylær adfærd. Ser man ud over oscillatorer, dette arbejde åbner døren for ingeniører til at skabe mere sofistikerede molekylære maskiner ud af DNA. Afhængigt af hvordan de molekylære maskiner er programmeret, forskellige adfærd kunne genereres, såsom kommunikation og signalbehandling, problemløsning og beslutningstagning, kontrol af bevægelse, osv. - den type kredsløbsberegning, der generelt kun tilskrives elektroniske kredsløb.
"Som ingeniører, vi er meget gode til at bygge sofistikeret elektronik, men biologi bruger komplekse kemiske reaktioner inde i celler til at gøre mange af de samme slags ting, som at træffe beslutninger, "Sagde Soloveichik." Til sidst, vi ønsker at kunne interagere med en celles kemiske kredsløb, eller reparere fejlkredsløb eller endda omprogrammere dem for større kontrol. Men på kort sigt, vores DNA-kredsløb kan bruges til at programmere adfærden fra cellefrie kemiske systemer, der syntetiserer komplekse molekyler, diagnosticere komplekse kemiske signaturer og reagere på deres omgivelser. "
Teamet udviklede deres nye oscillator ved at bygge DNA -molekyler, der har et specifikt programmeringssprog, producere en gentagelig arbejdsgang, der kan generere andre komplekse tidsmønstre og reagere på kemiske input -signaler. De samlede deres sprog ned til præcise interaktioner - en standardpraksis inden for elektronik, men helt ny inden for biokemi.
Teamets forskning blev udført som en del af National Science Foundation's (NSF) Molecular Programming Project, som blev lanceret i 2008 som et fakultetssamarbejde for at udvikle molekylær programmering til et sofistikeret, brugervenlig og meget udbredt teknologi til oprettelse af nanoskalaenheder og -systemer.