Vid utvecklingen av autonoma system och material, självmonterande molekylära strukturer kontrollerade av kemiska reaktionsnätverk blir allt viktigare. Dock, det saknas enkla externa mekanismer som säkerställer att komponenterna i dessa reaktionsnätverk kan aktiveras på ett kontrollerat sätt.

En forskargrupp ledd av Prof. Dr. Andreas Walther och Prof. Dr. Henning Jessen från Cluster of Excellence Living, Adaptive and Energy-autonomous Materials Systems (livMatS) och Jie Deng från Institutet för makromolekylär kemi vid universitetet i Freiburg är de första som visar hur individuella komponenter i självmonterande DNA-baserade strukturer kan aktiveras och styras med hjälp av ljusreaktiva foton växlar. Forskarna har publicerat sina resultat i tidskriften Angewandte Chemie .

Med hjälp av biologiska modeller som mikrotubuli utvecklar forskarna självmonterande strukturer. Mikrotubuli är proteinkomplex som bildar en dynamisk byggnadsstruktur i växternas celler, djur och människor. Deras självmonterande struktur gör att mikrotubuli hela tiden bildas och bryts ned samtidigt. Detta gör att ställningen lätt anpassar sig till föränderliga situationer och att reagera snabbt på stimuli genom att ordna om byggstenarna. Dessa processer drivs av en konstant förlust av energi, dvs en omvandling av energi, som organismen reglerar via återkopplingsmekanismer. Strukturerna för självständigt verkande material, som de som utvecklats av forskarna i livMatS-klustret av excellens, bör vara lika anpassningsbara i framtiden. Detta kan uppnås med system, där en energisk aktivering och avaktivering sker som orsakar strukturell bildning och nedbrytning av byggstenar.

I sitt arbete, forskarna från Freiburg lägger energileverantören adenosintrifosfat (ATP) till DNA-byggstenarna i ett sådant system. Forskarna har installerat molekylära fotoswitchar på ena sidan av ATP. Dessa reagerar på ljus genom att falla när de är specifikt bestrålade och frigöra ATP som en effektiv bränslemolekyl för systemet. Kontrollen över fotoswitcharna påverkas av ljusets våglängd, bestrålningens varaktighet och ljusintensiteten. Den specifika aktiveringen av ATP utlöser i sin tur en process:ett enzym stänger en bindning som bildar längre strängar från DNA -monomererna. Ett annat enzym, som kan känna igen och skära DNA vid vissa positioner, klyver bindningsställena igen. Detta resulterar i en samtidig bildning och nedbrytning av byggstenarna. Under denna process kombineras de enskilda DNA-byggstenarna för att bilda en polymer.

"Vårt långsiktiga mål är att använda det biologiska bränslet ATP för att utveckla syntetiska material som åtminstone suddar ut gränsen mellan levande och död materia, ", förklarar Andreas Walther. "Om vi ​​kan använda ATP som bränsle och omvandla kemisk energi till arbete, vi kan designa nästa generations implantatmaterial som aktivt kan förändras och verkligen interagera med människokroppen."