Als genetisch materiaal, DNA is verantwoordelijk voor al het bekende leven. Maar DNA is ook een polymeer. Door gebruik te maken van de unieke aard van het molecuul, De ingenieurs van Cornell hebben eenvoudige machines gemaakt die zijn gemaakt van biomaterialen met eigenschappen van levende wezens.

Met behulp van wat zij DASH-materialen (DNA-based Assembly and Synthesis of Hierarchical) noemen, De ingenieurs van Cornell hebben een DNA-materiaal geconstrueerd met de mogelijkheid tot metabolisme, naast zelfassemblage en organisatie - drie belangrijke eigenschappen van het leven.

"We introduceren een gloednieuwe, levensecht materiaalconcept aangedreven door zijn eigen kunstmatige metabolisme. We maken niet iets dat leeft, maar we creëren materialen die veel levensechter zijn dan ooit tevoren, " zei Dan Luo, hoogleraar biologische en milieutechniek aan het College of Agriculture and Life Sciences.

De krant, "Dynamisch DNA-materiaal met opkomend voortbewegingsgedrag aangedreven door kunstmatig metabolisme, " gepubliceerd op 10 april in Wetenschap Robotica .

Voor elk levend organisme om zichzelf in stand te houden, er moet een systeem zijn om verandering te managen. Er moeten nieuwe cellen worden gegenereerd; oude cellen en afval moeten worden weggevaagd. Biosynthese en biologische afbraak zijn sleutelelementen van zelfvoorziening en vereisen metabolisme om zijn vorm en functies te behouden.

Via dit systeem, DNA-moleculen worden op een hiërarchische manier gesynthetiseerd en in patronen geassembleerd, resulterend in iets dat een dynamiek kan bestendigen, autonoom proces van groei en verval.

DASH gebruiken, de ingenieurs van Cornell creëerden een biomateriaal dat autonoom uit zijn bouwstenen op nanoschaal kan komen en zichzelf kan rangschikken - eerst in polymeren en uiteindelijk in mesoschaalvormen. Uitgaande van een zaadsequentie van 55 nucleotiden, de DNA-moleculen werden honderdduizenden keren vermenigvuldigd, het creëren van ketens van herhalend DNA van enkele millimeters groot. De reactieoplossing werd vervolgens geïnjecteerd in een microfluïdisch apparaat dat zorgde voor een vloeibare stroom van energie en de noodzakelijke bouwstenen voor biosynthese.

Terwijl de stroom over het materiaal spoelde, het DNA synthetiseerde zijn eigen nieuwe strengen, waarbij de voorkant van het materiaal groeit en de achterkant degradeert in een geoptimaliseerde balans. Op deze manier, het maakte zijn eigen voortbeweging, naar voren kruipend, tegen de stroom in, op een manier die vergelijkbaar is met hoe slijmzwammen bewegen.

Door het locomotiefvermogen konden de onderzoekers sets van het materiaal tegen elkaar opnemen in competitieve races. Door willekeur in de omgeving, het ene lichaam zou uiteindelijk een voordeel behalen ten opzichte van het andere, toelaten dat iemand als eerste een finishlijn overschrijdt.

"De ontwerpen zijn nog primitief, maar ze toonden een nieuwe route om dynamische machines te maken van biomoleculen. We zijn bij een eerste stap van het bouwen van levensechte robots door middel van kunstmatige stofwisseling, " zei Shogo Hamada, docent en onderzoeksmedewerker in het Luo-lab, en hoofd- en co-corresponderende auteur van het papier. "Zelfs vanuit een eenvoudig ontwerp, we waren in staat om geavanceerde gedragingen zoals racen te creëren. Kunstmatige stofwisseling zou een nieuwe grens in robotica kunnen openen."

De ingenieurs onderzoeken momenteel manieren om het materiaal prikkels te laten herkennen en autonoom te laten zoeken in het geval van licht of voedsel, of vermijd het als het schadelijk is.

Het geprogrammeerde metabolisme ingebed in DNA-materialen is de belangrijkste innovatie. Het DNA bevat de set instructies voor metabolisme en autonome regeneratie. Daarna, het staat op zichzelf.

"Alles van zijn vermogen om te bewegen en te concurreren, al die processen staan ​​op zichzelf. Er is geen externe interferentie, " zei Luo. "Het leven begon miljarden jaren uit misschien slechts een paar soorten moleculen. Dit kan hetzelfde zijn."

Het materiaal dat het team heeft gemaakt, kan twee cycli van synthese en afbraak meegaan voordat het vervalt. De levensduur kan waarschijnlijk worden verlengd, volgens de onderzoekers het openen van de mogelijkheid voor meer "generaties" van het materiaal als het zichzelf repliceert. "Uiteindelijk, het systeem kan leiden tot levensechte zelfreproducerende machines, ' zei Hamada.

"Spannender, het gebruik van DNA geeft het hele systeem een ​​zelf-evolutionaire mogelijkheid, " zei Luo. "Dat is enorm."

theoretisch, het zou zo kunnen worden ontworpen dat volgende generaties binnen enkele seconden verschijnen. Voortplanting in dit hypertempo zou profiteren van de natuurlijke mutatie-eigenschappen van DNA en het evolutieproces versnellen, volgens Luo.

In de toekomst, het systeem zou kunnen worden gebruikt als een biosensor om de aanwezigheid van DNA en RNA te detecteren. Het concept kan ook worden gebruikt om een ​​dynamische sjabloon te maken voor het maken van eiwitten zonder levende cellen.

Er is een patent aangevraagd bij het Center for Technology Licensing.