Levende wezens gebruiken DNA om de genetische informatie op te slaan die elke plant, bacterie, en de mens uniek. De reproductie van deze informatie wordt mogelijk gemaakt omdat de nucleotiden van DNA - A's en T's, G's en C's - passen perfect bij elkaar, als bijpassende puzzelstukjes. Ingenieurs kunnen profiteren van de afstemming tussen lange strengen DNA-nucleotiden om DNA te gebruiken als een soort moleculaire origami, vouw het in alles, van smiley-illustraties op nanoschaal tot serieuze apparaten voor het afleveren van medicijnen.

Paul Rothemund bespreekt het potentieel van dergelijke technieken. Rothemund is onderzoekshoogleraar bio-engineering, informatica en wiskundige wetenschappen, en berekening en neurale systemen in de afdeling Engineering en Applied Science bij Caltech.

Wat doe jij?

Ik gebruik DNA en RNA als bouwmaterialen om vormen en patronen te creëren met een resolutie van slechts enkele nanometers. De kleinste kenmerken in de DNA-structuren die we maken zijn ongeveer 20, 000 keer kleiner dan de pixels in de chicste computerschermen, die elk ongeveer 80 micron breed zijn. Een groot deel van ons werk in de afgelopen 20 jaar was het uitzoeken hoe we DNA- of RNA-strengen kunnen krijgen om zichzelf te vouwen in een gewenste computer-ontworpen vorm. Omdat we het vermogen hebben om elke gewenste vorm of patroon te maken, we zijn deze vormen gaan gebruiken als "pegboards" voor het rangschikken van andere nano-objecten, zoals eiwitenzymen, koolstof-nanobuis-transistors, en fluorescerende moleculen.

Waarom is dit belangrijk?

Elke taak in je lichaam, van het verteren van voedsel tot het bewegen van je spieren tot het waarnemen van licht, wordt aangedreven door kleine biologische machines op nanometerschaal, allemaal opgebouwd vanaf de "bottom-up" via het zelfvouwen van moleculen zoals eiwitten en RNA's. De miljarden transistors die de chips in onze mobiele telefoons en computers vormen, zijn tientallen nanometers groot, maar ze zijn "top-down" gebouwd met behulp van fancy printprocessen in miljardenfabrieken. Ons doel is om te leren hoe we complexe kunstmatige apparaten kunnen bouwen zoals biologie natuurlijke apparaten bouwt - dat wil zeggen, beginnend met zelfvouwende moleculen die samenkomen tot grotere, complexere structuren. Naast veel goedkopere apparaten, dit zal volledig nieuwe toepassingen mogelijk maken, zoals door de mens gemaakte moleculaire machines die complexe therapeutische beslissingen kunnen nemen en alleen medicijnen kunnen toepassen waar nodig.

Hoe ben je in dit vak terechtgekomen?

Als student aan Caltech, Ik had grote moeite om te beslissen hoe ik mijn uiteenlopende interesses in informatica kon combineren, scheikunde, en biologie. Gelukkig, wijlen Jan L. A. van de Snepscheut introduceerde zijn klas informatica met het hypothetische idee om een ​​DNA Turing-machine te bouwen - een heel eenvoudige machine die niettemin elk mogelijk computerprogramma kan draaien. Hij daagde ons uit, wat suggereert dat iemand die verstand heeft van zowel biochemie als informatica, een concrete manier zou kunnen bedenken om zo'n DNA-computer te bouwen. Voor een projectles in informatietheorie met Yaser Abu-Mostafa, een professor in de elektrotechniek en informatica, Ik kwam met een vrij inefficiënte, toch mogelijk, manier om dit te doen. Destijds, Ik kon geen enkele Caltech-professor interesseren in het bouwen van mijn DNA-computer, maar kort daarna USC-professor Len Adleman publiceerde een paper over een meer praktische DNA-computer in Wetenschap . Ik kwam als afstudeerstudent bij Adleman's lab bij het USC, en sindsdien probeer ik DNA te gebruiken om computers of andere complexe apparaten te bouwen. Ik keerde in 2001 terug naar Caltech als postdoc en werd in 2008 onderzoeksprofessor.