DNA-molekyler som följer specifika instruktioner kan erbjuda mer exakt molekylär kontroll av syntetiska kemiska system, en upptäckt som öppnar dörren för ingenjörer att skapa molekylära maskiner med nya och komplexa beteenden. Forskare har skapat kemiska förstärkare och en kemisk oscillator med hjälp av en systematisk metod som har potential att bygga in sofistikerad kretsberäkning i molekylära system utformade för tillämpningar inom hälso- och sjukvård, avancerade material och nanoteknik.

Resultaten publiceras i numret av tidskriften den 15 december Vetenskap .

Kemiska oscillatorer har länge studerats av ingenjörer och vetenskapsmän. Forskarna som upptäckte den kemiska oscillatorn som styr den mänskliga dygnsrytmen – som är ansvarig för våra kroppars dag- och nattrytm – fick 2017 års Nobelpris i fysiologi eller medicin.

Även om förståelsen för kemiska oscillatorer och andra biologiska kemiska processer har utvecklats avsevärt, forskare vet inte tillräckligt för att kontrollera levande cellers kemiska aktiviteter. Detta leder till att ingenjörer och forskare vänder sig till syntetiska oscillatorer som fungerar i provrör snarare än i celler.

I den nya studien, David Soloveichik och hans forskargrupp vid Cockrell School of Engineering vid University of Texas i Austin visar hur man programmerar syntetiska oscillatorer och andra system genom att bygga DNA-molekyler som följer specifika instruktioner.

Soloveichik, en biträdande professor vid Cockrell Schools avdelning för elektro- och datorteknik, tillsammans med Niranjan Srinivas, en doktorand vid California Institute of Technology, och studiens medförfattare, har framgångsrikt konstruerat en första kemisk oscillator i sitt slag som använder DNA-komponenter – och inga proteiner, enzymer eller andra cellulära komponenter – som visar att DNA ensamt kan ha ett komplext beteende.

Enligt forskarna, deras upptäckt tyder på att DNA kan vara mycket mer än bara en passiv molekyl som enbart används för att bära genetisk information. "DNA kan användas på ett mycket mer aktivt sätt, " sa Soloveichik. "Vi kan faktiskt få det att dansa - med en rytm, om du vill. Detta tyder på att nukleinsyror (DNA och RNA) kan göra mer än vi trodde, som till och med kan informera vår förståelse av livets ursprung, eftersom det är vanligt att det tidiga livet var helt baserat på RNA."

Teamets nya syntetiska oscillator skulle en dag kunna användas i syntetisk biologi eller i helt konstgjorda celler, se till att vissa processer sker i ordning. Men oscillation är bara ett exempel på sofistikerat molekylärt beteende. Ser man bortom oscillatorer, detta arbete öppnar dörren för ingenjörer att skapa mer sofistikerade molekylära maskiner av DNA. Beroende på hur de molekylära maskinerna är programmerade, olika beteenden kan genereras, såsom kommunikation och signalbehandling, problemlösning och beslutsfattande, kontroll av rörelse, etc. — den typ av kretsberäkning som i allmänhet endast tillskrivs elektroniska kretsar.

"Som ingenjörer, vi är väldigt bra på att bygga sofistikerad elektronik, men biologi använder komplexa kemiska reaktioner inuti celler för att göra många av samma slags saker, som att fatta beslut, " sa Soloveichik. "Så slutligen, vi vill kunna interagera med de kemiska kretsarna i en cell, eller fixa felaktiga kretsar eller till och med programmera om dem för bättre kontroll. Men på kort sikt, våra DNA-kretsar skulle kunna användas för att programmera beteendet hos cellfria kemiska system som syntetiserar komplexa molekyler, diagnostisera komplexa kemiska signaturer och svara på deras miljöer."

Teamet utvecklade sin nya oscillator genom att bygga DNA-molekyler som har ett specifikt programmeringsspråk, producerar ett repeterbart arbetsflöde som kan generera andra komplexa tidsmönster och svara på ingående kemiska signaler. De sammanställde sitt språk till exakta interaktioner - en standardpraxis inom elektronikområdet men helt ny inom biokemi.

Teamets forskning utfördes som en del av National Science Foundations (NSF) Molecular Programming Project, som lanserades 2008 som ett fakultetssamarbete för att utveckla molekylär programmering till en sofistikerad, användarvänlig och allmänt använd teknik för att skapa enheter och system i nanoskala.