工程師們利用DNA來創(chuàng)造栩栩如生的機(jī)器

作為遺傳物質(zhì)，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(dú)特性質(zhì)，康奈爾大學(xué)的工程師們創(chuàng)造了由具有生物特性的生物材料構(gòu)成的簡單機(jī)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(xué)的工程師構(gòu)建的DNA材料的功能代謝，除了自組裝和組織-生命的三個關(guān)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(nóng)業(yè)與生命科學(xué)學(xué)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(qū)動的緊急運(yùn)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(xì)胞; 舊的細(xì)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(guān)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(chǎn)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(xué)的工程師們創(chuàng)造了一種生物材料，可以從其納米級構(gòu)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(chǔ)種子序列開始，DNA分子成倍增加數(shù)倍，產(chǎn)生幾毫米大小的重復(fù)DNA鏈。然后將反應(yīng)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(gòu)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(yùn)動，向前蠕動。

機(jī)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(jī)性，一個身體最終將獲得優(yōu)勢，允許一個人首先越過終點(diǎn)線。

“這些設(shè)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(jī)器的新途徑。我們邁出了通過人工新陳代謝構(gòu)建逼真機(jī)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(shè)計，我們也能夠創(chuàng)造出像賽車這樣的復(fù)雜行為。人工新陳代謝可以開啟機(jī)器人領(lǐng)域的新領(lǐng)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(guān)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(dú)立的。

“從移動和競爭的能力來看，所有這些過程都是獨(dú)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(tuán)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(fù)制更多的“世代”材料。“最終，該系統(tǒng)可能會導(dǎo)致逼真的自我復(fù)制機(jī)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(jìn)化的可能性，”羅說。“這太棒了。”

從理論上講，它可以設(shè)計成使后代在幾秒鐘內(nèi)出現(xiàn)。羅說，以這種超高速度進(jìn)行的繁殖將利用DNA的自然突變特性，加速進(jìn)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(xì)胞的蛋白質(zhì)。

技術(shù)許可中心正在申請專利。