La miriade di processi che avvengono nelle cellule biologiche può sembrare a prima vista incredibilmente complessa. E ancora, in linea di principio, sono semplicemente una successione logica di eventi, e potrebbe anche essere usato per formare circuiti digitali. I ricercatori hanno ora sviluppato un circuito di commutazione molecolare fatto di DNA, che può essere utilizzato per alterare meccanicamente i gel, a seconda del pH. I circuiti di commutazione basati sul DNA potrebbero avere applicazioni nella robotica morbida, dicono i ricercatori nel loro articolo in Angewandte Chemie.

Il DNA è una lunga molecola che può essere piegata e attorcigliata in vari modi. Ha una spina dorsale e basi che sporgono dalla spina dorsale e si accoppiano con le controparti in altri filamenti di DNA. Quando una serie di queste coppie corrispondenti si unisce, formano un attorcigliato, doppio filamento simile a una scala, la familiare doppia elica del DNA. La flessibilità del DNA, che permette di realizzare curve, loop, e un'ampia varietà di altre forme, ha ispirato i ricercatori a costruire interruttori del DNA. Questi interruttori cambiano forma dopo aver ricevuto un input, e possono quindi influenzare l'ambiente circostante.

Hao Pei dello Shanghai Key Laboratory of Green Chemistry and Chemical Processes presso la East China Normal University di Shanghai, Cina, e colleghi hanno ora sviluppato un programma configurabile, rete di commutazione logica multimodale che reagisce in modo diverso con l'ambiente circostante a seconda del pH e dell'input del DNA. Tutti i componenti del circuito di commutazione sono stati prodotti dal DNA.

Il team ha sviluppato una serie di quattro interruttori del DNA, ciascuno con lunghezze e combinazioni di basi leggermente diverse. Queste variazioni significavano che reagivano in modo diverso con un singolo filamento di DNA a seconda del pH dell'ambiente circostante. Per esempio, a un pH leggermente alcalino di 8, due degli interruttori formavano DNA a triplo filamento (tripli), mentre gli altri rimasero sciolti distesi. Queste reazioni e pieghe hanno portato a reazioni secondarie, che sono stati utilizzati dai ricercatori come funzioni logiche nel circuito di commutazione. Il risultato è stato, Per esempio, un segnale fluorescente che potrebbe essere letto come uscita.

Per dimostrare l'uso del circuito di commutazione in un sistema meccanico reale, il team ha incorporato gli interruttori del DNA nei gel di poliacrilammide. Il DNA ha agito come un reticolante, unendo insieme le molecole polimeriche nel gel. Più corto è il reticolante, o più piegato il DNA, più denso diventava il gel. Una volta aggiunto come input un pezzo di DNA con basi corrispondenti, è stato impostato un circuito logico, provocando il dispiegamento degli interruttori del DNA, formare triplex, o rilassati. Il circuito di reazione dipendeva anche dal pH. Di conseguenza, alcune combinazioni di input di DNA e intervallo di pH hanno causato l'allungamento del reticolante del DNA e il rigonfiamento del gel, in alcuni casi quasi raddoppiando di dimensioni.

Poiché gli interruttori del DNA hanno possibilità quasi infinite di combinazioni di torsioni e pieghe, i ricercatori considerano i loro circuiti di commutazione un passo fondamentale verso la robotica della materia soffice, dove controllabile, le reti funzionali logiche miniaturizzate sono importanti.