De talloze processen die plaatsvinden in biologische cellen lijken op het eerste gezicht misschien ongelooflijk complex. En toch, in principe, ze zijn slechts een logische opeenvolging van gebeurtenissen, en kan zelfs worden gebruikt om digitale circuits te vormen. Onderzoekers hebben nu een moleculair schakelcircuit ontwikkeld van DNA, die kan worden gebruikt om gels mechanisch te veranderen, afhankelijk van de pH. Op DNA gebaseerde schakelcircuits kunnen toepassingen hebben in zachte robotica, zeggen de onderzoekers in hun artikel in Angewandte Chemie.

DNA is een lang molecuul dat op verschillende manieren kan worden gevouwen en gedraaid. Het heeft een ruggengraat en basen die uitsteken uit de ruggengraat en paren met tegenhangers in andere DNA-strengen. Wanneer een reeks van deze overeenkomende paren samenkomt, ze vormen een gedraaide, ladderachtige dubbele streng - de bekende dubbele DNA-helix. De flexibiliteit van DNA, waardoor het mogelijk is om bochten te maken, lussen, en een grote verscheidenheid aan andere vormen, heeft onderzoekers geïnspireerd om DNA-schakelaars te bouwen. Deze schakelaars veranderen van vorm na ontvangst van een invoer, en kunnen vervolgens hun omgeving beïnvloeden.

Hao Pei van Shanghai Key Laboratory of Green Chemistry and Chemical Processes aan de East China Normal University in Shanghai, China, en collega's hebben nu een configureerbare, multi-mode logisch schakelnetwerk dat anders reageert met zijn omgeving, afhankelijk van pH en DNA-invoer. Alle componenten van het schakelcircuit zijn gemaakt van DNA.

Het team ontwikkelde een serie van vier DNA-switches, elk met iets verschillende lengtes en combinaties van voetstukken. Door deze variaties reageerden ze verschillend met een enkele DNA-streng, afhankelijk van de pH van hun omgeving. Bijvoorbeeld, bij een licht alkalische pH van 8, twee van de schakelaars vormden driestrengs DNA (triplexen), terwijl de anderen losjes uitgestrekt bleven. Deze reacties en plooien leidden tot secundaire reacties, die door de onderzoekers werden gebruikt als logische functies in het schakelcircuit. Het resultaat was, bijvoorbeeld, een fluorescerend signaal dat als output kan worden gelezen.

Om het gebruik van het schakelcircuit in een echt mechanisch systeem te demonstreren, het team nam de DNA-switches op in polyacrylamidegels. Het DNA werkte als een crosslinker, het samenvoegen van de polymeermoleculen in de gel. Hoe korter de crosslinker, of hoe meer het DNA is gevouwen, hoe dichter de gel werd. Nadat een stuk DNA met bijpassende basen als invoer was toegevoegd, een logisch circuit werd ingesteld, waardoor de DNA-schakelaars zich ontvouwen, vormen triplexen, of ontspannen. Het reactiecircuit was ook afhankelijk van de pH. Als resultaat, bepaalde combinaties van DNA-invoer en pH-bereik zorgden ervoor dat de DNA-crosslinker langer groeide en de gel opzwelde, in sommige gevallen bijna een verdubbeling in omvang.

Omdat DNA-schakelaars bijna oneindige mogelijkheden hebben voor combinaties van draaien en vouwen, de onderzoekers beschouwen hun schakelcircuits als een essentiële stap in de richting van robotica van zachte materie, waar controleerbaar, geminiaturiseerde logische functionele netwerken zijn belangrijk.