Som ett genetiskt material, DNA är ansvarigt för allt känt liv. Men DNA är också en polymer. Att utnyttja molekylens unika natur, Cornells ingenjörer har skapat enkla maskiner konstruerade av biomaterial med egenskaper hos levande saker.

Med hjälp av vad de kallar DASH (DNA-based Assembly and Synthesis of Hierarchical) material, Cornell -ingenjörer konstruerade ett DNA -material med metabolisk förmåga, förutom självmontering och organisation-tre viktiga drag i livet.

"Vi introducerar ett helt nytt, verklighetstrogna materialkoncept drivs av sin egen artificiella metabolism. Vi gör inte något som lever, men vi skapar material som är mycket mer verklighetstrogna än någonsin tidigare sett, "sa Dan Luo, professor i biologi- och miljöteknik vid College of Agriculture and Life Sciences.

Pappret, "Dynamiskt DNA -material med framväxande rörelsebeteende som drivs av artificiell metabolism, "publicerad 10 april Science Robotics .

För att någon levande organism ska behålla sig själv, det måste finnas ett system för att hantera förändringar. Nya celler måste genereras; gamla celler och avfall måste svepas bort. Biosyntes och biologisk nedbrytning är nyckelelement för självhållbarhet och kräver metabolism för att behålla sin form och funktioner.

Genom detta system, DNA -molekyler syntetiseras och sätts samman till mönster på ett hierarkiskt sätt, resulterar i något som kan fortsätta en dynamik, autonom tillväxt- och förfallsprocess.

Med DASH, Cornell -ingenjörerna skapade ett biomaterial som autonomt kan komma ur sina nanoskala byggstenar och ordna sig själv - först i polymerer och så småningom mesoskala former. Utgående från en 55-nukleotid basfrö sekvens, DNA -molekylerna multiplicerade hundratusentals gånger, skapa kedjor av upprepande DNA som är några millimeter stora. Reaktionslösningen injicerades sedan i en mikrofluidisk anordning som gav ett vätskeflöde av energi och de nödvändiga byggstenarna för biosyntes.

När flödet sköljde över materialet, DNA syntetiserade sina egna nya strängar, med framsidan av materialet växande och svansänden nedbrytas i optimerad balans. På det här sättet, den gjorde sin egen rörelse, smyger fram, mot flödet, på ett sätt som liknar hur slemformar rör sig.

Lokförmågan gjorde det möjligt för forskarna att ställa uppsättningar av materialet mot varandra i tävlingsrace. På grund av slumpmässighet i miljön, en kropp skulle så småningom få en fördel framför den andra, låta en korsa en mållinje först.

"Designerna är fortfarande primitiva, men de visade en ny väg för att skapa dynamiska maskiner från biomolekyler. Vi är i ett första steg för att bygga verklighetstrogna robotar genom artificiell metabolism, "sa Shogo Hamada, föreläsare och forskningsassistent i Luo -labbet, och huvud och motsvarande författare till tidningen. "Även från en enkel design, vi kunde skapa sofistikerade beteenden som racing. Konstgjord metabolism kan öppna en ny gräns inom robotik. "

Ingenjörerna undersöker för närvarande sätt att få materialet att känna igen stimuli och autonomt kunna söka efter det när det gäller ljus eller mat, eller undvik det om det är skadligt.

Den programmerade ämnesomsättningen inbäddad i DNA -material är nyckelinnovationen. DNA:n innehåller uppsättningen instruktioner för metabolism och autonom regenerering. Efter det, det är på egen hand.

"Allt från dess förmåga att röra sig och tävla, alla dessa processer är fristående. Det finns ingen yttre störning, "Luo sa." Livet började miljarder år från kanske bara några få slags molekyler. Det här kan vara detsamma. "

Materialet som teamet skapat kan hålla i två cykler av syntes och nedbrytning innan det går ut. Livslängden kan sannolikt förlängas, enligt forskarna, öppnar möjligheten för fler "generationer" av materialet när det självreplicerar. "I sista hand, systemet kan leda till verklighetstrogna självreproducerande maskiner, Sa Hamada.

"Mer spännande, användningen av DNA ger hela systemet en självutvecklande möjlighet, "Sa Luo." Det är enormt. "

Teoretiskt sett den skulle kunna utformas så att efterföljande generationer kommer fram inom några sekunder. Reproduktion i denna högtempo skulle dra fördel av DNA:s naturliga mutationsegenskaper och påskynda den evolutionära processen, enligt Luo.

I framtiden, systemet kan användas som en biosensor för att detektera närvaron av eventuellt DNA och RNA. Konceptet kan också användas för att skapa en dynamisk mall för att göra proteiner utan levande celler.

Det är patent pågående hos Center for Technology Licensing.