Ingeniører opfinder programmeringssprog for at bygge syntetisk DNA

Svarende til at bruge Python eller Java til at skrive kode til en computer, kemikere kunne snart være i stand til at bruge et struktureret sæt instruktioner til at "programmere", hvordan DNA-molekyler interagerer i et reagensglas eller en celle.

Et team ledet af University of Washington har udviklet et programmeringssprog for kemi, som det håber vil strømline indsatsen for at designe et netværk, der kan styre adfærden af ​​kemiske reaktionsblandinger på samme måde, som indlejrede elektroniske controllere guider biler, robotter og andre enheder. Inden for medicin, sådanne netværk kunne tjene som "smarte" lægemiddeluddelere eller sygdomsdetektorer på celleniveau.

Resultaterne blev offentliggjort online i denne uge (29. september) i Natur nanoteknologi .

Kemikere og undervisere underviser og bruger kemiske reaktionsnetværk, et århundrede gammelt ligningssprog, der beskriver, hvordan blandinger af kemikalier opfører sig. UW-ingeniørerne tager dette sprog et skridt videre og bruger det til at skrive programmer, der styrer bevægelsen af ​​skræddersyede molekyler.

"Vi tager udgangspunkt i et abstrakt, matematisk beskrivelse af et kemisk system, og derefter bruge DNA til at bygge de molekyler, der realiserer den ønskede dynamik, " sagde den tilsvarende forfatter Georg Seelig, en UW assisterende professor i elektroteknik og i datalogi og teknik. "Visionen er, at til sidst, du kan bruge denne teknologi til at bygge generelle værktøjer."

I øjeblikket, når en biolog eller kemiker laver en bestemt type molekylært netværk, ingeniørprocessen er kompleks, besværlig og svær at genbruge til at bygge andre systemer. UW-ingeniørerne ønskede at skabe en ramme, der giver videnskabsfolk mere fleksibilitet. Seelig sammenligner denne nye tilgang til programmeringssprog, der fortæller en computer, hvad den skal gøre.

"Jeg synes, det er tiltalende, fordi det giver dig mulighed for at løse mere end ét problem, " sagde Seelig. "Hvis du vil have en computer til at gøre noget andet, du bare omprogrammerer det. Dette projekt ligner meget, da vi kan fortælle kemien, hvad den skal gøre."

Mennesker og andre organismer har allerede komplekse netværk af molekyler i nanostørrelse, der hjælper med at regulere celler og holde kroppen i skak. Forskere er nu ved at finde måder at designe syntetiske systemer, der opfører sig som biologiske, med håbet om, at syntetiske molekyler kunne understøtte kroppens naturlige funktioner. Til det formål, et system er nødvendigt for at skabe syntetiske DNA-molekyler, der varierer i henhold til deres specifikke funktioner.

Den nye tilgang er ikke klar til at blive anvendt på det medicinske område, men fremtidige anvendelser kunne omfatte at bruge denne ramme til at lave molekyler, der samler sig selv i celler og fungerer som "smarte" sensorer. Disse kunne være indlejret i en celle, derefter programmeret til at opdage abnormiteter og reagere efter behov, måske ved at levere medicin direkte til disse celler.

Seelig og kollega Eric Klavins, en UW lektor i elektroteknik, modtog for nylig 2 millioner dollars fra National Science Foundation som en del af et nationalt initiativ til at øge forskningen i molekylær programmering. Det nye sprog vil blive brugt til at understøtte det større initiativ, sagde Seelig.