工程師們利用DNA來創(chuàng)造栩栩如生的機器

作為遺傳物質，DNA是所有已知生命的原因。但DNA也是一種聚合物。通過利用分子的獨特性質，康奈爾大學的工程師們創(chuàng)造了由具有生物特性的生物材料構成的簡單機器。

用他們所謂的DASH(基于DNA的裝配和層次的合成)材料，康奈爾大學的工程師構建的DNA材料的功能代謝，除了自組裝和組織-生命的三個關鍵特征。

“我們正在推出一種全新的，逼真的材料概念，由其自身的人工新陳代謝提供動力。我們不是在制作一些活著的東西，但我們正在創(chuàng)造比以往任何時候都更加逼真的材料，”Dan Luo說。農業(yè)與生命科學學院生物與環(huán)境工程教授。

該論文“動態(tài)DNA材料具有由人工代謝驅動的緊急運動行為”，于4月10日在Science Robotics上發(fā)表。

對于任何維持生命的生物體，必須有一個管理變化的系統(tǒng)。必須生成新的細胞; 舊的細胞和廢物必須被掃除。生物合成和生物降解是自我可持續(xù)性的關鍵要素，需要新陳代謝來維持其形式和功能。

通過這個系統(tǒng)，DNA分子被合成并以分層方式組裝成模式，從而產生可以使動態(tài)，自主的生長和衰變過程永久化的東西。

使用DASH，康奈爾大學的工程師們創(chuàng)造了一種生物材料，可以從其納米級構建塊中自主地出現(xiàn)并自行排列 - 首先是聚合物，最后是中尺度形狀。從55個核苷酸的基礎種子序列開始，DNA分子成倍增加數(shù)倍，產生幾毫米大小的重復DNA鏈。然后將反應溶液注入微流體裝置中，該裝置提供液體能量流和用于生物合成的必要構件。

隨著流過材料的流動，DNA合成了自己的新鏈，材料的前端生長，尾端降低，優(yōu)化平衡。通過這種方式，它以與粘泥模具移動方式類似的方式形成自己的運動，向前蠕動。

機車能力使研究人員能夠在競爭激烈的比賽中將各種材料相互對接。由于環(huán)境中的隨機性，一個身體最終將獲得優(yōu)勢，允許一個人首先越過終點線。

“這些設計仍然是原始的，但他們展示了一條通過生物分子創(chuàng)造動態(tài)機器的新途徑。我們邁出了通過人工新陳代謝構建逼真機器人的第一步，”羅實驗室講師和研究助理Shogo Hamada說道。和論文的共同作者。“即使從簡單的設計，我們也能夠創(chuàng)造出像賽車這樣的復雜行為。人工新陳代謝可以開啟機器人領域的新領域。”

工程師們正在探索如何讓材料識別刺激物并且能夠在光線或食物的情況下自動尋找它，或者如果它有害則避免使用它。

嵌入DNA材料的程序化代謝是關鍵創(chuàng)新。DNA含有一套新陳代謝和自主再生的說明。在那之后，它是獨立的。

“從移動和競爭的能力來看，所有這些過程都是獨立的。沒有外部干擾，”羅說。“生命從幾種分子開始數(shù)十億年。這可能是相同的。”

團隊創(chuàng)建的材料在到期之前可以持續(xù)兩個合成和降級周期。研究人員表示，長壽可能會延長，因為它可以自我復制更多的“世代”材料。“最終，該系統(tǒng)可能會導致逼真的自我復制機器，”Hamada說。

“更令人興奮的是，DNA的使用為整個系統(tǒng)提供了一種自我進化的可能性，”羅說。“這太棒了。”

從理論上講，它可以設計成使后代在幾秒鐘內出現(xiàn)。羅說，以這種超高速度進行的繁殖將利用DNA的自然突變特性，加速進化過程。

將來，該系統(tǒng)可用作生物傳感器，以檢測任何DNA和RNA的存在。該概念還可用于創(chuàng)建動態(tài)模板，用于制造沒有活細胞的蛋白質。

技術許可中心正在申請專利。