Aggiungendo filamenti di DNA a una soluzione contenente nanotubi d'oro, I ricercatori di A*STAR hanno creato un sistema straordinariamente semplice in grado di "calcolare" operazioni logiche di base come OR e NOT in risposta a input molecolari specifici. Questo ha potenziali applicazioni in sistemi diagnostici rapidi e complessi.

La diagnostica clinica spesso si basa sul rilevamento di agenti patogeni e biomarcatori di malattie da campioni di sangue o altri fluidi biologici dei pazienti. La maggior parte di questi test produce un semplice risultato "vero" o "falso" per la presenza di un singolo biomarcatore. La capacità di eseguire operazioni logiche come AND e OR per due o più biomarcatori potrebbe aumentare notevolmente il potere diagnostico di tali test. Il progresso nella costruzione di porte logiche biomolecolari è ostacolato dalle modifiche complesse e chimicamente impegnative necessarie per produrre sistemi logici pratici.

Xiao Di Su e i colleghi dell'A*STAR Institute of Materials Research and Engineering e dell'University College London hanno ideato un sistema diagnostico altamente versatile e affidabile utilizzando nanobarre d'oro, DNA e proteine, che è sia facile da creare che offre il potenziale per sofisticate operazioni di calcolo basate sulla logica.

"Abbiamo preso la regolazione del gene umano, uno dei meccanismi più precisi in natura, e lo ha applicato per sviluppare le basi di una nuova tecnologia nel campo del biocomputing, "dice Su.

I nanotubi d'oro assorbono la luce a lunghezze d'onda specifiche determinate dalle dimensioni dei bastoncini, ma il grado di assorbimento è controllato dall'aggregazione dei nanotubi in soluzione. Su e i suoi colleghi hanno scoperto che quando il DNA a doppia elica (dsDNA) è stato aggiunto alla soluzione di nanorod, l'aggregazione dei nanorod potrebbe essere controllata in modo affidabile dalla concentrazione di dsDNA.

Per dimostrare il sistema, i ricercatori hanno creato la soluzione utilizzando segmenti di DNA contenenti la sequenza di DNA per gli elementi del recettore degli estrogeni (ER), che consentirebbe al sistema di rispondere all'aggiunta di proteine ​​ER. Hanno scoperto che il sistema potrebbe essere configurato per fornire un risultato OR - un cambiamento da un livello di assorbanza "basso" a "alto" quando una o entrambe le due diverse varianti ER (ERα e ERβ) sono state aggiunte alla soluzione - anche come risultato NON in risposta all'aggiunta di dsDNA. Il team ha poi dimostrato altre funzioni logiche (IMPLY, FALSO, VERO e TAMPONE), che, disposti in serie, costituivano la base per operazioni logiche più complesse.

"Questo è un semplice, piattaforma tuttavia altamente versatile che non si basa sulla funzionalizzazione dei nanomateriali o altri metodi di fabbricazione complicati, e dimostra l'enorme potenziale delle applicazioni ispirate alla natura utilizzando eventi di legame biologico per manipolare le proprietà ottiche dei nanomateriali, "dice Su.