Nello sviluppo di sistemi e materiali autonomi, Le strutture molecolari autoassemblanti controllate da reti di reazioni chimiche sono sempre più importanti. Però, mancano semplici meccanismi esterni che assicurino che i componenti di queste reti di reazione possano essere attivati ​​in maniera controllata.

Un team di ricerca guidato dal Prof. Dr. Andreas Walther e dal Prof. Dr. Henning Jessen del Cluster of Excellence Living, I sistemi di materiali adattivi e autonomi dal punto di vista energetico (livMatS) e Jie Deng dell'Istituto di chimica macromolecolare dell'Università di Friburgo sono i primi a mostrare come i singoli componenti delle strutture a base di DNA autoassemblanti possono essere attivati ​​e controllati utilizzando foto reattive alla luce interruttori. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Angewandte Chemie .

Utilizzando modelli biologici come i microtubuli, i ricercatori stanno sviluppando strutture autoassemblanti. I microtubuli sono complessi proteici che formano una struttura di impalcatura dinamica nelle cellule delle piante, animali e umani. La loro struttura autoassemblante significa che i microtubuli si formano e si degradano costantemente allo stesso tempo. Ciò consente all'impalcatura di adattarsi facilmente alle situazioni mutevoli e di reagire rapidamente agli stimoli riorganizzando gli elementi costitutivi. Questi processi sono guidati da una costante dissipazione di energia, cioè una conversione di energia, che l'organismo regola attraverso meccanismi di feedback. Le strutture dei materiali ad azione autonoma come quelle sviluppate dagli scienziati nel cluster di eccellenza livMatS dovrebbero essere adattabili in modo simile in futuro. Ciò può essere ottenuto con sistemi, in cui avviene un'attivazione e disattivazione energetica che provoca la formazione strutturale e il degrado dei mattoni.

Nel loro lavoro, i ricercatori di Friburgo aggiungono il fornitore di energia adenosina trifosfato (ATP) agli elementi costitutivi del DNA in un tale sistema. Gli scienziati hanno installato fotointerruttori molecolari su un lato dell'ATP. Questi reagiscono alla luce cadendo quando specificamente irradiati e rilasciando l'ATP come molecola di combustibile efficace per il sistema. Il controllo sui fotointerruttori è influenzato dalla lunghezza d'onda della luce, la durata dell'irraggiamento e l'intensità della luce. L'attivazione specifica dell'ATP a sua volta innesca un processo:un enzima chiude un legame che forma filamenti più lunghi dai monomeri del DNA. Un altro enzima, che può riconoscere e tagliare il DNA in determinate posizioni, scinde di nuovo i siti di legame. Ciò si traduce in una simultanea formazione e degradazione degli elementi costitutivi. Durante questo processo i singoli elementi costitutivi del DNA si combinano per formare un polimero.

"Il nostro obiettivo a lungo termine è utilizzare il combustibile biologico ATP per sviluppare materiali sintetici che offuschino almeno il confine tra materia viva e materia morta, " spiega Andreas Walther. "Se siamo in grado di utilizzare l'ATP come combustibile e convertire l'energia chimica in lavoro, possiamo progettare la prossima generazione di materiali per impianti che possono cambiare attivamente e interagire veramente con il corpo umano".