DNA-moleculen die specifieke instructies volgen, kunnen een nauwkeurigere moleculaire controle bieden van synthetische chemische systemen, een ontdekking die de deur opent voor ingenieurs om moleculaire machines te maken met nieuw en complex gedrag. Onderzoekers hebben chemische versterkers en een chemische oscillator gemaakt met behulp van een systematische methode die het potentieel heeft om geavanceerde circuitberekeningen in te bedden in moleculaire systemen die zijn ontworpen voor toepassingen in de gezondheidszorg, geavanceerde materialen en nanotechnologie.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het nummer van 15 december van het tijdschrift Wetenschap .

Chemische oscillatoren zijn lang bestudeerd door ingenieurs en wetenschappers. De onderzoekers die de chemische oscillator ontdekten die het menselijke circadiane ritme regelt - verantwoordelijk voor het dag- en nachtritme van ons lichaam - verdienden in 2017 de Nobelprijs voor fysiologie of geneeskunde.

Hoewel het begrip van chemische oscillatoren en andere biologische chemische processen aanzienlijk is geëvolueerd, wetenschappers weten niet genoeg om de chemische activiteiten van levende cellen te beheersen. Dit leidt ertoe dat ingenieurs en wetenschappers zich wenden tot synthetische oscillatoren die in reageerbuizen werken in plaats van in cellen.

In de nieuwe studie David Soloveichik en zijn onderzoeksteam aan de Cockrell School of Engineering aan de Universiteit van Texas in Austin laten zien hoe synthetische oscillatoren en andere systemen kunnen worden geprogrammeerd door DNA-moleculen te bouwen die specifieke instructies volgen.

Soloveichik, een assistent-professor in de afdeling Electrical and Computer Engineering van de Cockrell School, samen met Niranjan Srinivas, een afgestudeerde student aan het California Institute of Technology, en de co-auteurs van de studie, hebben met succes een eerste in zijn soort chemische oscillator gebouwd die DNA-componenten gebruikt - en geen eiwitten, enzymen of andere cellulaire componenten - wat aantoont dat alleen DNA in staat is tot complex gedrag.

Volgens de onderzoekers is hun ontdekking suggereert dat DNA veel meer kan zijn dan alleen een passief molecuul dat uitsluitend wordt gebruikt om genetische informatie te dragen. "DNA kan veel actiever worden gebruikt, "Soloveichik zei. "We kunnen het echt laten dansen - met een ritme, als je wil. Dit suggereert dat nucleïnezuren (DNA en RNA) misschien meer doen dan we dachten, die zelfs ons begrip van de oorsprong van het leven kan informeren, omdat algemeen wordt aangenomen dat het vroege leven volledig gebaseerd was op RNA."

De nieuwe synthetische oscillator van het team kan ooit worden gebruikt in de synthetische biologie of in volledig kunstmatige cellen. ervoor te zorgen dat bepaalde processen in de juiste volgorde verlopen. Maar oscillatie is slechts één voorbeeld van geavanceerd moleculair gedrag. Verder kijken dan oscillatoren, dit werk opent de deur voor ingenieurs om meer geavanceerde moleculaire machines uit DNA te maken. Afhankelijk van hoe de moleculaire machines zijn geprogrammeerd, verschillende gedragingen kunnen worden gegenereerd, zoals communicatie en signaalverwerking, het oplossen van problemen en het nemen van beslissingen, controle van beweging, enz. - het soort circuitberekening dat over het algemeen alleen aan elektronische circuits wordt toegeschreven.

"Als ingenieurs, we zijn erg goed in het bouwen van geavanceerde elektronica, maar biologie gebruikt complexe chemische reacties in cellen om veel van dezelfde dingen te doen, zoals het nemen van beslissingen, "Zei Soloveichik. "Uiteindelijk, we willen kunnen interageren met de chemische circuits van een cel, of repareer defecte circuits of herprogrammeer ze zelfs voor meer controle. Maar op korte termijn, onze DNA-circuits kunnen worden gebruikt om het gedrag te programmeren van celvrije chemische systemen die complexe moleculen synthetiseren, diagnosticeren complexe chemische handtekeningen en reageren op hun omgeving."

Het team ontwikkelde hun nieuwe oscillator door DNA-moleculen te bouwen die een specifieke programmeertaal hebben, het produceren van een herhaalbare workflow die andere complexe temporele patronen kan genereren en kan reageren op ingevoerde chemische signalen. Ze hebben hun taal gecompileerd tot precieze interacties - een standaardpraktijk op het gebied van elektronica, maar volledig nieuw in de biochemie.

Het onderzoek van het team werd uitgevoerd als onderdeel van het Molecular Programming Project van de National Science Foundation (NSF), die in 2008 van start ging als een faculteitssamenwerking om moleculaire programmering te ontwikkelen tot een geavanceerde, gebruiksvriendelijke en veelgebruikte technologie voor het maken van apparaten en systemen op nanoschaal.