Bij de ontwikkeling van autonome systemen en materialen, zelfassemblerende moleculaire structuren gecontroleerd door chemische reactienetwerken worden steeds belangrijker. Echter, er ontbreken eenvoudige externe mechanismen die ervoor zorgen dat de componenten van deze reactienetwerken op een gecontroleerde manier kunnen worden geactiveerd.

Een onderzoeksteam onder leiding van Prof. Dr. Andreas Walther en Prof. Dr. Henning Jessen van het Cluster of Excellence Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) en Jie Deng van het Institute of Macromolecular Chemistry aan de Universiteit van Freiburg zijn de eersten die laten zien hoe individuele componenten van zelfassemblerende DNA-gebaseerde structuren kunnen worden geactiveerd en gecontroleerd met behulp van lichtreactieve foto schakelaars. De onderzoekers hebben hun resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie .

Met behulp van biologische modellen zoals microtubuli ontwikkelen de onderzoekers zelfassemblerende structuren. Microtubuli zijn eiwitcomplexen die een dynamische steigerstructuur vormen in de cellen van planten, dieren en mensen. Hun zelf-assemblerende structuur betekent dat microtubuli constant tegelijkertijd worden gevormd en afgebroken. Hierdoor kan de steiger zich gemakkelijk aanpassen aan veranderende situaties en snel reageren op prikkels door de bouwstenen te herschikken. Deze processen worden aangedreven door een constante verspilling van energie, d.w.z. een omzetting van energie, die het organisme reguleert via feedbackmechanismen. De structuren van autonoom werkende materialen, zoals die ontwikkeld zijn door de wetenschappers in het livMatS cluster of excellence, zouden in de toekomst op dezelfde manier aanpasbaar moeten zijn. Dit kan met systemen, waarin een energetische activering en deactivering plaatsvindt die de structurele vorming en afbraak van bouwstenen veroorzaakt.

In hun werk, de Freiburgse onderzoekers voegen de energieleverancier adenosinetrifosfaat (ATP) toe aan de DNA-bouwstenen in zo'n systeem. De wetenschappers hebben aan één kant van de ATP moleculaire fotoschakelaars geïnstalleerd. Deze reageren op licht door te vallen wanneer ze specifiek worden bestraald en de ATP vrij te geven als een effectief brandstofmolecuul voor het systeem. De controle over de fotoschakelaars wordt beïnvloed door de golflengte van het licht, de duur van de bestraling en de lichtintensiteit. De specifieke activering van ATP zet op zijn beurt een proces in gang:een enzym sluit een binding die langere strengen vormt van de DNA-monomeren. Een ander enzym, die DNA op bepaalde posities kan herkennen en knippen, splitst de bindingsplaatsen weer. Dit resulteert in een gelijktijdige vorming en afbraak van de bouwstenen. Tijdens dit proces combineren de afzonderlijke DNA-bouwstenen tot een polymeer.

"Ons langetermijndoel is om de biologische brandstof ATP te gebruiken om synthetische materialen te ontwikkelen die op zijn minst de grens tussen levende en dode materie vervagen, " legt Andreas Walther uit. "Als we ATP als brandstof kunnen gebruiken en chemische energie kunnen omzetten in werk, we kunnen de volgende generatie implantaatmaterialen ontwerpen die actief kunnen veranderen en echt kunnen interageren met het menselijk lichaam."