Door DNA-strengen toe te voegen aan een oplossing die gouden nanostaafjes bevat, A*STAR-onderzoekers hebben een opmerkelijk eenvoudig systeem gecreëerd dat elementaire logische bewerkingen zoals OR en NOT kan 'berekenen' als reactie op specifieke moleculaire inputs. Dit heeft potentiële toepassingen in snelle en complexe diagnostische systemen.

Klinische diagnostiek is vaak afhankelijk van de detectie van pathogenen en ziektebiomarkers uit bloedmonsters of andere biologische vloeistoffen van patiënten. De meeste van dergelijke tests leveren een eenvoudig 'waar' of 'onjuist' resultaat op voor de aanwezigheid van een enkele biomarker. De mogelijkheid om logische bewerkingen zoals AND en OR uit te voeren voor twee of meer biomarkers zou de diagnostische kracht van dergelijke tests aanzienlijk kunnen vergroten. Vooruitgang bij het bouwen van biomoleculaire logische poorten wordt belemmerd door de complexe en chemisch veeleisende aanpassingen die nodig zijn om praktische logische systemen te produceren.

Xiao Di Su en collega's van het A*STAR Institute of Materials Research and Engineering en University College London hebben een zeer veelzijdig en betrouwbaar diagnostisch systeem ontwikkeld met gouden nanostaafjes, DNA en eiwitten, dat is zowel eenvoudig te maken als het potentieel biedt voor geavanceerde, op logica gebaseerde computerbewerkingen.

"We hebben menselijke genregulatie genomen, een van de meest precieze mechanismen in de natuur, en toegepast om de basis te ontwikkelen van een nieuwe technologie op het gebied van biocomputing, " zegt Su.

Gouden nanostaafjes absorberen licht op specifieke golflengten die worden bepaald door de afmetingen van de staafjes, maar de mate van absorptie wordt gecontroleerd door de aggregatie van de nanostaafjes in oplossing. Su en haar collega's ontdekten dat wanneer dubbelstrengs DNA (dsDNA) aan de nanorod-oplossing werd toegevoegd, de aggregatie van de nanostaafjes kon betrouwbaar worden gecontroleerd door de dsDNA-concentratie.

Om het systeem te demonstreren, de onderzoekers creëerden de oplossing met behulp van DNA-segmenten die de DNA-sequentie voor oestrogeenreceptor (ER) -elementen bevatten, waardoor het systeem zou kunnen reageren op de toevoeging van ER-eiwitten. Ze ontdekten dat het systeem kon worden geconfigureerd om een ​​OK-resultaat te geven - een verandering van een 'laag' naar 'hoog' absorptieniveau wanneer een of beide van de twee verschillende ER-varianten (ERα en ERβ) aan de oplossing werden toegevoegd - ook als een NIET resultaat in reactie op toevoeging van dsDNA. Het team demonstreerde vervolgens andere logische functies (IMPLY, ONWAAR, WAAR en BUFFER), die, wanneer ze in serie werden gerangschikt, de basis vormden voor complexere logische bewerkingen.

"Dit is een simpele maar toch zeer veelzijdig platform dat niet afhankelijk is van de functionalisering van nanomaterialen of andere gecompliceerde fabricagemethoden, en demonstreert het enorme potentieel van op de natuur geïnspireerde toepassingen met behulp van biologische bindingsgebeurtenissen om de optische eigenschappen van nanomaterialen te manipuleren, " zegt Su.