Gli esseri viventi usano il DNA per immagazzinare le informazioni genetiche che rendono ogni pianta, batterio, e l'essere umano unico. La riproduzione di queste informazioni è resa possibile perché i nucleotidi del DNA - A e T, G e C si incastrano perfettamente, come abbinare i pezzi di un puzzle. Gli ingegneri possono sfruttare la corrispondenza tra lunghi filamenti di nucleotidi di DNA per utilizzare il DNA come una sorta di origami molecolare, piegandolo in qualsiasi cosa, da un'opera d'arte su una faccina sorridente in nanoscala a dispositivi seri per la somministrazione di farmaci.

Paul Rothemund discute il potenziale di tali tecniche. Rothemund è professore di ricerca di bioingegneria, scienze informatiche e matematiche, e sistemi di calcolo e neurali nella Divisione di Ingegneria e Scienze Applicate al Caltech.

cosa fai?

Uso DNA e RNA come materiali da costruzione per creare forme e modelli con una risoluzione di pochi nanometri. Le più piccole caratteristiche nelle strutture del DNA che realizziamo sono circa 20, 000 volte più piccoli dei pixel dei display dei computer più fantasiosi, ciascuno di circa 80 micron di diametro. Gran parte del nostro lavoro negli ultimi 20 anni è stato solo capire come far piegare i filamenti di DNA o RNA nella forma desiderata progettata al computer. Poiché abbiamo imparato la capacità di creare qualsiasi forma o modello desideriamo, siamo passati all'utilizzo di queste forme come "pannelli forati" per disporre altri oggetti di dimensioni nanometriche, come enzimi proteici, transistor a nanotubi di carbonio, e molecole fluorescenti.

Perché questo è importante?

Ogni compito nel tuo corpo, dalla digestione del cibo allo spostamento dei muscoli al rilevamento della luce, è alimentato da minuscole macchine biologiche su scala nanometrica, tutto costruito dal "basso verso l'alto" tramite l'auto-ripiegamento di molecole come proteine ​​e RNA. I miliardi di transistor che compongono i chip dei nostri telefoni cellulari e computer hanno una dimensione di decine di nanometri, ma sono costruiti in modo "dall'alto verso il basso" utilizzando fantasiosi processi di stampa in fabbriche da miliardi di dollari. Il nostro obiettivo è imparare a costruire dispositivi artificiali complessi nello stesso modo in cui la biologia costruisce quelli naturali, ovvero a partire da molecole auto-ripieganti che si assemblano insieme in strutture più grandi e complesse. Oltre a dispositivi molto più economici, questo consentirà applicazioni completamente nuove, come le macchine molecolari create dall'uomo che possono prendere decisioni terapeutiche complesse e applicare farmaci solo dove necessario.

Come sei entrato in questo tipo di lavoro?

Come studente universitario al Caltech, Ho avuto grandi difficoltà a decidere come combinare i miei diversi interessi nell'informatica, chimica, e biologia. Fortunatamente, il compianto Jan L. A. van de Snepscheut ha introdotto la sua classe di informatica all'idea ipotetica di costruire una macchina di Turing del DNA, una macchina molto semplice che può comunque eseguire ogni possibile programma per computer. Ci ha sfidato, suggerendo che qualcuno che conoscesse sia la biochimica che l'informatica potrebbe trovare un modo concreto per costruire un tale computer del DNA. Per un corso di teoria dell'informazione con Yaser Abu-Mostafa, professore di ingegneria elettrica e informatica, Mi è venuta in mente una cosa piuttosto inefficiente, ancora possibile, modo per farlo. Al tempo, Non potrei interessare a nessun professore del Caltech a costruire il mio computer del DNA, ma poco dopo, Il professore della USC Len Adleman ha pubblicato un articolo su un computer del DNA più pratico in Scienza . Sono entrato nel laboratorio di Adleman alla USC come studente laureato, e da allora ho cercato di usare il DNA per costruire computer o altri dispositivi complessi. Sono tornato al Caltech come postdoc nel 2001 e sono diventato professore di ricerca nel 2008.