首创的化学振荡器提供了新的分子控制水平

遵循特定说明的DNA分子可以为合成化学系统提供更精确的分子控制,这一发现为工程师打造了具有新的复杂行为的分子机器打开了大门。研究人员使用系统方法创建了化学放大器和化学振荡器,该方法有可能将复杂的电路计算嵌入到专为医疗保健,先进材料和纳米技术应用而设计的分子系统中。

工程师和科学家长期以来一直在研究化学振荡器。研究人员发现了控制人体昼夜节律的化学振荡器 - 负责我们身体的日夜节奏 - 获得了2017年诺贝尔生理学或医学奖。

虽然对化学振荡器和其他生物化学过程的了解已经发生了显着变化,但科学家们还不足以控制活细胞的化学活性。这是领先的工程师和科学家转向在试管而不是细胞中工作的合成振荡器。

在这项新研究中,David Soloveichik和他在德克萨斯大学奥斯汀分校科克雷尔工程学院的研究团队展示了如何通过建立遵循特定指令的DNA分子来编程合成振荡器和其他系统。

科克雷尔学院电气和计算机工程系的助理教授索洛维奇克与加州理工学院的研究生Niranjan Srinivas以及该研究的共同作者成功构建了一种同类化学品使用DNA成分的振荡器 - 没有蛋白质,酶或其他细胞成分 - 证明单独的DNA能够复杂行为。

据研究人员称,他们的发现表明DNA不仅仅是一种仅用于携带遗传信息的被动分子。“DNA可以更积极的方式使用,”索洛维奇克说。“如果你愿意的话,我们实际上可以让它跳舞 - 节奏。这表明核酸(DNA和RNA)可能比我们想象的更多,这甚至可以告诉我们对生命起源的理解,因为它是通常认为早期生活完全基于RNA。“

该团队的新型合成振荡器有一天可用于合成生物学或完全人工细胞,确保某些过程按顺序发生。但振荡只是复杂分子行为的一个例子。除了振荡器之外,这项工作为工程师打开了通过DNA创建更复杂的分子机器的大门。根据分子机器的编程方式,可以产生不同的行为,例如通信和信号处理,问题解决和决策,运动控制等。 - 电路计算的类型通常仅归因于电子电路。

“作为工程师,我们非常擅长建造复杂的电子产品,但生物学在细胞内部使用复杂的化学反应做许多同样的事情,比如决策,”Soloveichik说。“最终,我们希望能够与细胞的化学回路相互作用,或修复故障电路,甚至重新编程它们以获得更好的控制。但在短期内,我们的DNA电路可用于编程无细胞的行为化学系统,合成复杂的分子,诊断复杂的化学特征,并响应他们的环境。“

该团队通过构建具有特定编程语言的DNA分子开发了他们的新振荡器,产生了可重复的工作流程,可以生成其他复杂的时间模式并响应输入的化学信号。他们将他们的语言汇编成精确的相互作用 - 这是电子学领域的标准实践,但在生物化学方面却非常新颖。

该团队的研究是作为美国国家科学基金会(NSF)分子编程项目的一部分进行的,该项目于2008年启动,作为教师合作,将分子编程发展为复杂,用户友好且广泛使用的技术,用于创建纳米级设备和系统。