Genom att lägga DNA -strängar till en lösning som innehåller guldnanoroder, A*STAR-forskare har skapat ett anmärkningsvärt enkelt system som kan "beräkna" grundläggande logiska operationer som OR och NOT som svar på specifika molekylära input. Detta har potentiella tillämpningar i snabba och komplexa diagnostiska system.

Klinisk diagnostik förlitar sig ofta på upptäckt av patogener och sjukdomsbiomarkörer från blodprov eller andra biologiska vätskor från patienter. De flesta sådana tester ger ett enkelt "sant" eller "falskt" resultat för närvaron av en enda biomarkör. Möjligheten att utföra logiska operationer som OCH och ELLER för två eller flera biomarkörer kan avsevärt öka den diagnostiska kraften hos sådana tester. Framsteg i att bygga biomolekylära logiska grindar hämmas av de komplexa och kemiskt krävande modifieringar som krävs för att producera praktiska logiksystem.

Xiao Di Su och kollegor från A*STAR Institute of Materials Research and Engineering och University College London har tagit fram ett mycket mångsidigt och tillförlitligt diagnossystem som använder guldnanorods, DNA och proteiner, som är både lätt att skapa och erbjuder potential för sofistikerade logikbaserade datoroperationer.

"Vi har tagit mänskliga genreglering, en av de mest exakta mekanismerna i naturen, och använde den för att utveckla grunden för en ny teknik inom biodatorområdet, "säger Su.

Guld nanorods absorberar ljus vid specifika våglängder som bestäms av stavarnas dimensioner, men absorptionsgraden styrs av aggregeringen av nanoroderna i lösning. Su och hennes kollegor fann att när dubbelsträngat DNA (dsDNA) sattes till nanorodlösningen, aggregeringen av nanoroderna kunde på ett tillförlitligt sätt kontrolleras av dsDNA-koncentrationen.

För att demonstrera systemet, forskarna skapade lösningen med hjälp av DNA-segment som innehåller DNA-sekvensen för östrogenreceptorelement (ER), vilket skulle tillåta systemet att svara på tillsatsen av ER-proteiner. De fann att systemet kunde konfigureras för att ge ett OR-resultat - en förändring från en "låg" till "hög" absorbansnivå när en eller båda av de två olika ER-varianterna (ERα och ERβ) sattes till lösningen - också som ett INTE resultat som svar på dsDNA-tillägg. Teamet visade sedan andra logiska funktioner (IMPLY, FALSK, SANT och BUFFER), som när de arrangerades i serie utgjorde grunden för mer komplexa logiska operationer.

"Detta är en enkel, men ändå mycket mångsidig plattform som inte är beroende av funktionalisering av nanomaterial eller andra komplicerade tillverkningsmetoder, och visar den enorma potentialen hos naturinspirerade applikationer som använder biologiska bindningshändelser för att manipulera de optiska egenskaperna hos nanomaterial, "säger Su.