De otaliga processer som sker i biologiska celler kan verka otroligt komplexa vid första anblicken. Och ändå, i princip, de är bara en logisk följd av händelser, och kan till och med användas för att bilda digitala kretsar. Forskare har nu utvecklat en molekylär omkopplingskrets gjord av DNA, som kan användas för att mekaniskt förändra geler, beroende på pH. DNA-baserade kopplingskretsar kan ha tillämpningar inom mjuk robotik, säger forskarna i sin artikel i Angewandte Chemie.

DNA är en lång molekyl som kan vikas och vridas på olika sätt. Den har en ryggrad och baser som sticker ut från ryggraden och kopplas ihop med motsvarigheter i andra DNA -strängar. När en serie av dessa matchande par kommer ihop, de bildar en vriden, stege-liknande dubbelsträng-den välkända DNA-dubbelhelixen. Flexibiliteten hos DNA, vilket gör det möjligt att producera böjar, slingor, och en mängd andra former, har inspirerat forskare att bygga DNA -switchar. Dessa omkopplare ändrar form efter att ha mottagit en ingång, och kan sedan påverka sin omgivning.

Hao Pei från Shanghai Key Laboratory of Green Chemistry and Chemical Processes vid East China Normal University i Shanghai, Kina, och kollegor har nu utvecklat en konfigurerbar, multi-mode logic switch-nätverk som reagerar olika med sin omgivning beroende på pH och DNA-ingång. Alla komponenter i omkopplingskretsen framställdes från DNA.

Teamet utvecklade en serie med fyra DNA -switchar, var och en med lite olika längder och kombinationer av baser. Dessa variationer innebar att de reagerade olika med en enda DNA -sträng beroende på pH i omgivningen. Till exempel, vid ett lätt alkaliskt pH på 8, två av switcharna bildade trippelsträngat DNA (triplexer), medan de andra förblev löst utsträckta. Dessa reaktioner och veck ledde till sekundära reaktioner, som användes av forskarna som logiska funktioner i omkopplingskretsen. Resultatet blev, till exempel, en fluorescerande signal som kan läsas som en utsignal.

För att demonstrera användningen av omkopplingskretsen i ett riktigt mekaniskt system, laget införlivade DNA -switcharna i polyakrylamidgeler. DNA fungerade som en tvärbindare, sammanfoga polymermolekylerna i gelén. Ju kortare tvärbindare, eller desto mer vikt DNA, ju tätare gelén blev. När en bit DNA med matchande baser lades till som en ingång, en logikkrets sattes på plats, orsakar att DNA -omkopplarna utvecklas, bilda triplexer, eller koppla av. Reaktionskretsen var också beroende av pH. Som ett resultat, vissa kombinationer av DNA -ingång och pH -område fick DNA -tvärbindaren att växa längre och gelén svullna upp, i vissa fall nästan en fördubbling i storlek.

Eftersom DNA -switchar har nästan oändliga möjligheter för kombinationer av vridningar och veck, forskarna anser att deras omkopplingskretsar är ett viktigt steg mot mjukämnesrobotik, där det kan kontrolleras, miniatyriserade logiska funktionella nätverk är viktiga.