På samma sätt som att använda Python eller Java för att skriva kod för en dator, kemister skulle snart kunna använda en strukturerad uppsättning instruktioner för att "programmera" hur DNA-molekyler interagerar i ett provrör eller en cell.

Ett team som leds av University of Washington har utvecklat ett programmeringsspråk för kemi som det hoppas kommer att effektivisera ansträngningarna att designa ett nätverk som kan styra beteendet hos kemiska reaktionsblandningar på samma sätt som inbäddade elektroniska kontroller guidar bilar, robotar och andra enheter. Inom medicin, sådana nätverk kan fungera som "smarta" läkemedelsleverantörer eller sjukdomsdetektorer på mobilnivå.

Fynden publicerades online denna vecka (29 september) i Naturens nanoteknik .

Kemister och utbildare lär ut och använder nätverk för kemiska reaktioner, ett hundraårigt ekvationsspråk som beskriver hur blandningar av kemikalier beter sig. UW-ingenjörerna tar detta språk ett steg längre och använder det för att skriva program som styr förflyttningen av skräddarsydda molekyler.

"Vi utgår från ett abstrakt, matematisk beskrivning av ett kemiskt system, och sedan använda DNA för att bygga molekylerna som realiserar den önskade dynamiken, " sade motsvarande författare Georg Seelig, en UW biträdande professor i elektroteknik och datavetenskap och teknik. "Visionen är att så småningom, du kan använda den här tekniken för att bygga generella verktyg."

För närvarande, när en biolog eller kemist skapar en viss typ av molekylärt nätverk, ingenjörsprocessen är komplex, krångligt och svårt att återanvända för att bygga andra system. UW-ingenjörerna ville skapa ett ramverk som ger forskarna mer flexibilitet. Seelig liknar detta nya tillvägagångssätt med programmeringsspråk som talar om för en dator vad den ska göra.

"Jag tycker att det här är tilltalande eftersom det låter dig lösa mer än ett problem, " Sa Seelig. "Om du vill att en dator ska göra något annat, du bara programmerar om det. Det här projektet är väldigt likt genom att vi kan berätta för kemin vad den ska göra."

Människor och andra organismer har redan komplexa nätverk av molekyler i nanostorlek som hjälper till att reglera celler och hålla kroppen i schack. Forskare hittar nu sätt att designa syntetiska system som beter sig som biologiska med hopp om att syntetiska molekyler skulle kunna stödja kroppens naturliga funktioner. För detta ändamål, Det behövs ett system för att skapa syntetiska DNA-molekyler som varierar beroende på deras specifika funktioner.

Det nya tillvägagångssättet är inte redo att tillämpas inom det medicinska området, men framtida användningsområden kan inkludera att använda detta ramverk för att göra molekyler som självmonterar i celler och fungerar som "smarta" sensorer. Dessa kan vara inbäddade i en cell, sedan programmerad att upptäcka avvikelser och svara efter behov, kanske genom att leverera läkemedel direkt till dessa celler.

Seelig och kollegan Eric Klavins, en UW docent i elektroteknik, fick nyligen 2 miljoner dollar från National Science Foundation som en del av ett nationellt initiativ för att öka forskningen inom molekylär programmering. Det nya språket kommer att användas för att stödja det större initiativet, sa Seelig.