Biochemische ingenieurs aan de Johns Hopkins University gebruikten sequenties van DNA-moleculen om gels op waterbasis van vorm te laten veranderen, een nieuwe tactiek demonstreren om zachte robots en "slimme" medische apparaten te produceren die niet afhankelijk zijn van omslachtige draden, batterijen, of banden.

Het onderzoek, onder toezicht van drie faculteitsleden van de Whiting School of Engineering van de universiteit, staat vandaag online in het tijdschrift Wetenschap .

De teamleden meldden dat hun proces gebruikmaakte van specifieke DNA-sequenties die "haarspelden" worden genoemd om een ​​hydrogelmonster van een centimeter te laten opzwellen tot 100 keer het oorspronkelijke volume. De reactie werd vervolgens gestopt door een andere DNA-sequentie, een "terminator-haarspeld" genoemd. Deze benadering zou het mogelijk kunnen maken om bewegende delen in zachte materialen te weven, die, zeiden de onderzoekers, ooit een rol kunnen spelen bij het maken van slimme materialen, metamorfe apparaten, complexe geprogrammeerde actuatoren, en autonome robots met potentiële maritieme en medische toepassingen.

Om te bepalen hoe vormverandering plaatsvindt in verschillende delen van de beoogde hydrogel, de onderzoekers namen een richtsnoer van de computerindustrie. Ze gebruikten een fotopatroontechniek die vergelijkbaar is met de techniek die wordt gebruikt om kleine maar ingewikkelde microchips te maken. Verschillende biochemische patronen ingebed in verschillende regio's van de gel werden ontworpen om te reageren op specifieke DNA-instructies om buigen, vouwen, of andere reacties.

"DNA-sequenties kunnen worden gezien als analoog aan computercode, " zei David Gracias, een professor in de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering van de universiteit, en een van de twee senior auteurs van het Science-artikel. "Net zoals computersoftware specifieke taken kan sturen, DNA-sequenties kunnen ervoor zorgen dat een materiaal op een bepaalde plaats op een bepaalde manier buigt of uitzet."

Dit is geen ongewoon verschijnsel in de natuur, hij voegde toe.

"Vormverandering is erg belangrijk in de biologie, ' zei Gracias. 'Denk eens aan hoe een rups in een vlinder verandert.'

Om hun vermogen te bevestigen om te controleren welke hydrogeldoelen werden geactiveerd, teamleden gebruikten DNA-sequentie-responsieve bloemvormige hydrogels. In elke "bloem, "Er werden twee sets bloembladen gefabriceerd, en elke set was ontworpen om slechts te reageren op een van twee verschillende DNA-sequenties. Bij blootstelling aan beide sequenties, alle bloemblaadjes gevouwen in reactie. Maar toen ze werden blootgesteld aan slechts één van de sequenties, alleen de bloembladen die overeenkomen met die volgorde gevouwen.

Het team maakte ook hydrogelkrabvormige apparaten waarin de antennes, klauwen, en benen krulden elk naar binnen als reactie op hun overeenkomende DNA-sequentie. De krabapparaten - een vorm gekozen ter ere van de populaire zeevruchten waarvoor Maryland bekend staat - bleven ten minste 60 dagen in hun geactiveerde staat.

"We zijn gefascineerd door hoe levende cellen chemische signalen kunnen gebruiken om te beslissen hoe ze moeten groeien of bewegen en hoe ze chemische energie kunnen gebruiken om zichzelf van energie te voorzien, " zei Rebecca Schulman, de andere senior auteur van de studie en een assistent-professor in chemische en biomoleculaire engineering. "We wilden machines bouwen die op een vergelijkbare manier zouden kunnen werken. Onze fabricagetechnologie maakt het mogelijk om zeer gecompliceerde apparaten in verschillende maten te ontwerpen."