Ændring af blødt stofs form ved hjælp af logiske kredsløb lavet af DNA

De utallige processer, der foregår i biologiske celler, kan ved første øjekast virke utroligt komplekse. Og stadigvæk, i princippet, de er blot en logisk række af begivenheder, og kunne endda bruges til at danne digitale kredsløb. Forskere har nu udviklet et molekylært koblingskredsløb lavet af DNA, som kan bruges til mekanisk at ændre geler, afhængig af pH. DNA-baserede koblingskredsløb kunne have applikationer i blød robotteknologi, siger forskerne i deres artikel i Angewandte Chemie.

DNA er et langt molekyle, der kan foldes og snos på forskellige måder. Den har en rygrad og baser, der stikker ud fra rygraden og parrer sig med modstykker i andre DNA-strenge. Når en række af disse matchende par kommer sammen, de danner en snoet, stigelignende dobbeltstreng - den velkendte DNA-dobbelthelix. Fleksibiliteten af ​​DNA, som gør det muligt at producere bøjninger, sløjfer, og en lang række andre former, har inspireret forskere til at bygge DNA-switche. Disse kontakter ændrer form efter at have modtaget et input, og kan så påvirke deres omgivelser.

Hao Pei fra Shanghai Key Laboratory of Green Chemistry and Chemical Processes ved East China Normal University i Shanghai, Kina, og kolleger har nu udviklet en konfigurerbar, multi-mode logic switching netværk, der reagerer forskelligt med sine omgivelser afhængigt af pH og DNA input. Alle komponenterne i koblingskredsløbet blev fremstillet af DNA.

Holdet udviklede en serie på fire DNA-switche, hver med lidt forskellige længder og kombinationer af baser. Disse variationer betød, at de reagerede forskelligt med en enkelt DNA-streng afhængigt af pH i deres omgivelser. For eksempel, ved en let alkalisk pH på 8, to af switchene dannede triple-stranded DNA (triplexes), mens de andre forblev løst strakte ud. Disse reaktioner og folder førte til sekundære reaktioner, som blev brugt af forskerne som logiske funktioner i koblingskredsløbet. Resultatet blev, for eksempel, et fluorescerende signal, der kunne læses som et output.

For at demonstrere brugen af ​​koblingskredsløbet i et rigtigt mekanisk system, holdet inkorporerede DNA-switcherne i polyacrylamidgeler. DNA'et fungerede som en tværbinder, sammenføjning af polymermolekylerne i gelen. Jo kortere tværbinder, eller jo mere foldet DNA er, jo tættere blev gelen. Når et stykke DNA med matchende baser blev tilføjet som input, et logisk kredsløb blev sat på plads, får DNA-omskifterne til at udfolde sig, danne triplexer, eller slappe af. Reaktionskredsløbet var også afhængigt af pH. Som resultat, visse kombinationer af DNA-input og pH-område fik DNA-tværbinderen til at vokse længere og gelen til at svulme op, i nogle tilfælde næsten fordoblet i størrelse.

Da DNA -switches har næsten uendelige muligheder for kombinationer af vendinger og folder, forskerne anser deres omskiftningskredsløb for at være et vigtigt skridt i retning af blødstofrobotik, hvor det kan kontrolleres, miniaturiserede logiske funktionelle netværk er vigtige.