Vergelijkbaar met het gebruik van Python of Java om code voor een computer te schrijven, scheikundigen zouden binnenkort een gestructureerde reeks instructies kunnen gebruiken om te "programmeren" hoe DNA-moleculen in een reageerbuis of cel op elkaar inwerken.

Een team onder leiding van de Universiteit van Washington heeft een programmeertaal voor scheikunde ontwikkeld waarvan het hoopt dat het de inspanningen zal stroomlijnen om een ​​netwerk te ontwerpen dat het gedrag van chemische reactiemengsels kan sturen op dezelfde manier als ingebouwde elektronische controllers auto's sturen, robots en andere apparaten. in de geneeskunde, dergelijke netwerken zouden kunnen dienen als "slimme" medicijnbezorgers of ziektedetectoren op cellulair niveau.

De bevindingen werden deze week (29 september) online gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

Chemici en opvoeders leren en gebruiken chemische reactienetwerken, een eeuwenoude taal van vergelijkingen die beschrijft hoe mengsels van chemicaliën zich gedragen. De UW-ingenieurs gaan nog een stap verder in deze taal en schrijven er programma's mee die de beweging van op maat gemaakte moleculen aansturen.

"We gaan uit van een abstract, wiskundige beschrijving van een chemisch systeem, en vervolgens DNA gebruiken om de moleculen te bouwen die de gewenste dynamiek realiseren, " zei corresponderende auteur Georg Seelig, een UW-assistent-professor elektrotechniek en informatica en techniek. "De visie is dat uiteindelijk, je kunt deze technologie gebruiken om tools voor algemene doeleinden te bouwen."

Momenteel, wanneer een bioloog of chemicus een bepaald type moleculair netwerk maakt, het engineeringproces is complex, omslachtig en moeilijk te hergebruiken voor het bouwen van andere systemen. De UW-ingenieurs wilden een raamwerk creëren dat wetenschappers meer flexibiliteit geeft. Seelig vergelijkt deze nieuwe benadering met programmeertalen die een computer vertellen wat hij moet doen.

"Ik denk dat dit aantrekkelijk is omdat het je in staat stelt meer dan één probleem op te lossen, "Zei Seelig. "Als je wilt dat een computer iets anders doet, je programmeert het gewoon opnieuw. Dit project lijkt erg op elkaar omdat we de chemie kunnen vertellen wat ze moeten doen."

Mensen en andere organismen hebben al complexe netwerken van moleculen van nanogrootte die helpen om cellen te reguleren en het lichaam onder controle te houden. Wetenschappers vinden nu manieren om synthetische systemen te ontwerpen die zich gedragen als biologische, in de hoop dat synthetische moleculen de natuurlijke functies van het lichaam kunnen ondersteunen. Daartoe, er is een systeem nodig om synthetische DNA-moleculen te maken die variëren volgens hun specifieke functies.

De nieuwe aanpak is nog niet klaar voor toepassing in de medische wereld, maar toekomstig gebruik kan het gebruik van dit raamwerk omvatten om moleculen te maken die zichzelf in cellen assembleren en als "slimme" sensoren dienen. Deze kunnen worden ingebed in een cel, vervolgens geprogrammeerd om afwijkingen te detecteren en zo nodig te reageren, misschien door medicijnen rechtstreeks aan die cellen te leveren.

Seelig en collega Eric Klavins, een UW universitair hoofddocent elektrotechniek, ontving onlangs $ 2 miljoen van de National Science Foundation als onderdeel van een nationaal initiatief om onderzoek naar moleculaire programmering te stimuleren. De nieuwe taal zal worden gebruikt om dat grotere initiatief te ondersteunen, zei Seelig.