Le molecole di DNA che seguono istruzioni specifiche potrebbero offrire un controllo molecolare più preciso dei sistemi chimici sintetici, una scoperta che apre le porte agli ingegneri per creare macchine molecolari con comportamenti nuovi e complessi. I ricercatori hanno creato amplificatori chimici e un oscillatore chimico utilizzando un metodo sistematico che ha il potenziale per incorporare sofisticati circuiti di calcolo all'interno di sistemi molecolari progettati per applicazioni nell'assistenza sanitaria, materiali avanzati e nanotecnologie.

I risultati sono pubblicati nel numero del 15 dicembre della rivista Scienza .

Gli oscillatori chimici sono stati a lungo studiati da ingegneri e scienziati. I ricercatori che hanno scoperto l'oscillatore chimico che controlla il ritmo circadiano umano, responsabile del ritmo giorno e notte del nostro corpo, hanno vinto il Premio Nobel 2017 per la fisiologia o la medicina.

Sebbene la comprensione degli oscillatori chimici e di altri processi chimici biologici si sia evoluta in modo significativo, gli scienziati non ne sanno abbastanza per controllare le attività chimiche delle cellule viventi. Questo sta portando ingegneri e scienziati a rivolgersi a oscillatori sintetici che funzionano in provette piuttosto che nelle cellule.

Nel nuovo studio, David Soloveichik e il suo team di ricerca presso la Cockrell School of Engineering dell'Università del Texas ad Austin mostrano come programmare oscillatori sintetici e altri sistemi costruendo molecole di DNA che seguono istruzioni specifiche.

Soloveichik, un assistente professore presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica della Cockrell School, insieme a Niranjan Srinivas, uno studente laureato al California Institute of Technology, e i coautori dello studio, hanno costruito con successo un oscillatore chimico unico nel suo genere che utilizza componenti del DNA e nessuna proteina, enzimi o altri componenti cellulari, a dimostrazione del fatto che il DNA da solo è capace di comportamenti complessi.

Secondo i ricercatori, la loro scoperta suggerisce che il DNA può essere molto più di una semplice molecola passiva utilizzata esclusivamente per trasportare informazioni genetiche. "Il DNA può essere utilizzato in modo molto più attivo, " Disse Soloveichik. "Possiamo davvero farlo ballare, con un ritmo, se vorrai. Ciò suggerisce che gli acidi nucleici (DNA e RNA) potrebbero fare più di quanto pensassimo, che può anche informare la nostra comprensione dell'origine della vita, poiché si pensa comunemente che la prima infanzia fosse basata interamente sull'RNA."

Il nuovo oscillatore sintetico del team potrebbe un giorno essere utilizzato nella biologia sintetica o in cellule completamente artificiali, garantire che determinati processi si svolgano in ordine. Ma l'oscillazione è solo un esempio di comportamento molecolare sofisticato. Guardando oltre gli oscillatori, questo lavoro apre le porte agli ingegneri per creare macchine molecolari più sofisticate dal DNA. A seconda di come sono programmate le macchine molecolari, si potrebbero generare comportamenti diversi, come la comunicazione e l'elaborazione del segnale, la risoluzione dei problemi e il processo decisionale, controllo del movimento, ecc.—il tipo di calcolo circuitale generalmente attribuito solo ai circuiti elettronici.

"Come ingegneri, siamo molto bravi a costruire elettronica sofisticata, ma la biologia usa complesse reazioni chimiche all'interno delle cellule per fare molte delle stesse cose, come prendere decisioni, " Disse Soloveichik. "Alla fine, vogliamo poter interagire con i circuiti chimici di una cellula, o riparare circuiti malfunzionanti o addirittura riprogrammarli per un maggiore controllo. Ma a breve termine, i nostri circuiti del DNA potrebbero essere utilizzati per programmare il comportamento di sistemi chimici privi di cellule che sintetizzano molecole complesse, diagnosticare firme chimiche complesse e rispondere ai loro ambienti."

Il team ha sviluppato il suo nuovo oscillatore costruendo molecole di DNA che hanno un linguaggio di programmazione specifico, producendo un flusso di lavoro ripetibile in grado di generare altri modelli temporali complessi e rispondere ai segnali chimici in ingresso. Hanno compilato il loro linguaggio fino a interazioni precise, una pratica standard nel campo dell'elettronica ma completamente nuova in biochimica.

La ricerca del team è stata condotta come parte del progetto di programmazione molecolare della National Science Foundation (NSF), lanciata nel 2008 come collaborazione di facoltà per sviluppare la programmazione molecolare in un sofisticato, tecnologia facile da usare e ampiamente utilizzata per la creazione di dispositivi e sistemi su scala nanometrica.