Come materiale genetico, Il DNA è responsabile di tutta la vita conosciuta. Ma anche il DNA è un polimero. Attingendo alla natura unica della molecola, Gli ingegneri di Cornell hanno creato macchine semplici costruite con biomateriali con proprietà di esseri viventi.

Usando quelli che chiamano materiali DASH (DNA-based Assembly and Synthesis of Hierarchical), Gli ingegneri della Cornell hanno costruito un materiale di DNA con capacità di metabolismo, oltre all'autoassemblaggio e all'organizzazione – tre tratti chiave della vita.

"Stiamo introducendo un nuovissimo, concetto di materiale realistico alimentato dal proprio metabolismo artificiale. Non stiamo facendo qualcosa di vivo, ma stiamo creando materiali molto più realistici di quanto non sia mai stato visto prima, " disse Dan Luo, professore di ingegneria biologica e ambientale presso il College of Agriculture and Life Sciences.

La carta, "Materiale del DNA dinamico con comportamento di locomozione emergente alimentato dal metabolismo artificiale, " pubblicato il 10 aprile in Robotica scientifica .

Affinché ogni organismo vivente si mantenga, ci deve essere un sistema per gestire il cambiamento. Devono essere generate nuove celle; vecchie cellule e rifiuti devono essere spazzati via. La biosintesi e la biodegradazione sono elementi chiave dell'autosostenibilità e richiedono il metabolismo per mantenere la sua forma e le sue funzioni.

Attraverso questo sistema, Le molecole di DNA sono sintetizzate e assemblate in modelli in modo gerarchico, risultando in qualcosa che può perpetuare una dinamica, processo autonomo di crescita e decadimento.

Usando DASH, gli ingegneri di Cornell hanno creato un biomateriale che può emergere autonomamente dai suoi elementi costitutivi in ​​nanoscala e organizzarsi, prima in polimeri e infine in forme mesoscala. Partendo da una sequenza di semi base di 55 nucleotidi, le molecole di DNA sono state moltiplicate centinaia di migliaia di volte, creando catene di DNA ripetuto di pochi millimetri. La soluzione di reazione è stata quindi iniettata in un dispositivo microfluidico che ha fornito un flusso liquido di energia e gli elementi costitutivi necessari per la biosintesi.

Man mano che il flusso scorreva sul materiale, il DNA ha sintetizzato i suoi nuovi filamenti, con la parte anteriore del materiale in crescita e la parte posteriore che si degrada in un equilibrio ottimizzato. In questo modo, ha fatto la sua locomozione, strisciando in avanti, contro corrente, in un modo simile a come si muovono le muffe melmose.

L'abilità locomotiva ha permesso ai ricercatori di mettere a confronto serie di materiale l'una contro l'altra in gare competitive. A causa della casualità nell'ambiente, un corpo alla fine otterrebbe un vantaggio sull'altro, permettendo di tagliare per primo un traguardo.

"I disegni sono ancora primitivi, ma hanno mostrato un nuovo percorso per creare macchine dinamiche da biomolecole. Siamo al primo passo per costruire robot realistici con un metabolismo artificiale, " disse Shogo Hamada, docente e ricercatore associato nel laboratorio Luo, e autore principale e co-corrispondente del documento. "Anche da un design semplice, siamo stati in grado di creare comportamenti sofisticati come le corse. Il metabolismo artificiale potrebbe aprire una nuova frontiera nella robotica".

Gli ingegneri stanno attualmente esplorando modi per fare in modo che il materiale riconosca gli stimoli e sia in grado di cercarlo autonomamente in caso di luce o cibo, o evitalo se è dannoso.

Il metabolismo programmato incorporato nei materiali del DNA è l'innovazione chiave. Il DNA contiene l'insieme delle istruzioni per il metabolismo e la rigenerazione autonoma. Dopo di che, è da solo.

"Tutto dalla sua capacità di muoversi e competere, tutti questi processi sono autonomi. Non ci sono interferenze esterne, "Luo ha detto. "La vita è iniziata miliardi di anni forse da pochi tipi di molecole. Questo potrebbe essere lo stesso".

Il materiale creato dal team può durare per due cicli di sintesi e degradazione prima di scadere. La longevità può probabilmente essere estesa, secondo i ricercatori, aprendo la possibilità a più "generazioni" del materiale mentre si autoreplica. "In definitiva, il sistema può portare a macchine realistiche autoriproducenti, " Ha detto Hamada.

"Più eccitante, l'uso del DNA dà all'intero sistema una possibilità di autoevoluzione, "Luo ha detto. "Questo è enorme."

Teoricamente, potrebbe essere progettato in modo che le generazioni successive emergano in pochi secondi. La riproduzione a questo ritmo iperattivo trarrebbe vantaggio dalle proprietà mutazionali naturali del DNA e accelererebbe il processo evolutivo, secondo Luo.

Nel futuro, il sistema potrebbe essere utilizzato come biosensore per rilevare la presenza di qualsiasi DNA e RNA. Il concetto potrebbe anche essere usato per creare un modello dinamico per produrre proteine ​​senza cellule viventi.

C'è un brevetto in sospeso con il Center for Technology Licensing.