Opløsning af DNA og guld nanorods i stand til seks grundlæggende logiske operationer

Ved at tilføje DNA-strenge til en opløsning, der indeholder guld nanorods, A*STAR-forskere har skabt et bemærkelsesværdigt simpelt system, der kan 'beregne' grundlæggende logiske operationer som OR og NOT som svar på specifikke molekylære input. Dette har potentielle anvendelser i hurtige og komplekse diagnostiske systemer.

Klinisk diagnostik er ofte afhængig af påvisning af patogener og sygdomsbiomarkører fra prøver af blod eller andre biologiske væsker fra patienter. De fleste sådanne tests giver et simpelt "sandt" eller "falskt" resultat for tilstedeværelsen af ​​en enkelt biomarkør. Evnen til at udføre logiske operationer såsom AND og OR for to eller flere biomarkører kunne i høj grad øge den diagnostiske kraft af sådanne tests. Fremskridt med at bygge biomolekylære logiske porte er hæmmet af de komplekse og kemisk krævende modifikationer, der kræves for at producere praktiske logiske systemer.

Xiao Di Su og kolleger fra A*STAR Institute of Materials Research and Engineering og University College London har udtænkt et meget alsidigt og pålideligt diagnostisk system ved hjælp af guld nanorods, DNA og proteiner, som både er let at skabe og giver mulighed for sofistikerede logikbaserede computeroperationer.

"Vi har taget menneskelig genregulering, en af ​​de mest præcise mekanismer i naturen, og anvendte det til at udvikle grundlaget for en ny teknologi inden for biocomputing, " siger Su.

Guld nanorods absorberer lys ved specifikke bølgelængder bestemt af stængernes dimensioner, men graden af ​​absorption styres af aggregeringen af ​​nanoroderne i opløsning. Su og hendes kolleger fandt ud af, at når dobbeltstrenget DNA (dsDNA) blev tilsat til nanorod-opløsningen, aggregeringen af ​​nanorods kunne kontrolleres pålideligt af dsDNA-koncentrationen.

For at demonstrere systemet, forskerne skabte løsningen ved hjælp af DNA-segmenter, der indeholder DNA-sekvensen for østrogenreceptor (ER) elementer, hvilket ville gøre det muligt for systemet at reagere på tilføjelsen af ​​ER-proteiner. De fandt ud af, at systemet kunne konfigureres til at give et OR-resultat – en ændring fra et 'lavt' til 'højt' absorbansniveau, når en eller begge af de to forskellige ER-varianter (ERα og ERβ) blev tilføjet til opløsningen som et IKKE resultat i respons på dsDNA-tilsætning. Holdet demonstrerede derefter andre logiske funktioner (IMPLY, FALSK, TRUE og BUFFER), som, når de var arrangeret i serier, dannede grundlaget for mere komplekse logiske operationer.

"Dette er en simpel, men alligevel meget alsidig platform, der ikke er afhængig af funktionalisering af nanomaterialer eller andre komplicerede fremstillingsmetoder, og demonstrerer det enorme potentiale i naturinspirerede applikationer, der bruger biologiske bindingshændelser til at manipulere de optiske egenskaber af nanomaterialer, " siger Su.