工程師們利用DNA來(lái)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(guò)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(jiǎn)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(gè)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(dòng)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(shí)候都更加逼真的材料，”Dan Luo說(shuō)。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(dòng)態(tài)DNA材料具有由人工代謝驅(qū)動(dòng)的緊急運(yùn)動(dòng)行為”，于4月10日在Science Robotics上發(fā)表。

對(duì)于任何維持生命的生物體，必須有一個(gè)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(lái)維持其形式和功能。

通過(guò)這個(gè)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(dòng)態(tài)，自主的生長(zhǎng)和衰變過(guò)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(jí)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(gè)核苷酸的基礎(chǔ)種子序列開(kāi)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(guò)材料的流動(dòng)，DNA合成了自己的新鏈，材料的前端生長(zhǎng)，尾端降低，優(yōu)化平衡。通過(guò)這種方式，它以與粘泥模具移動(dòng)方式類似的方式形成自己的運(yùn)動(dòng)，向前蠕動(dòng)。

機(jī)車能力使研究人員能夠在競(jìng)爭(zhēng)激烈的比賽中將各種材料相互對(duì)接。由于環(huán)境中的隨機(jī)性，一個(gè)身體最終將獲得優(yōu)勢(shì)，允許一個(gè)人首先越過(guò)終點(diǎn)線。

“這些設(shè)計(jì)仍然是原始的，但他們展示了一條通過(guò)生物分子創(chuàng)造動(dòng)態(tài)機(jī)器的新途徑。我們邁出了通過(guò)人工新陳代謝構(gòu)建逼真機(jī)器人的第一步，”羅實(shí)驗(yàn)室講師和研究助理Shogo Hamada說(shuō)道。和論文的共同作者。“即使從簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)，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(kāi)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(shí)別刺激物并且能夠在光線或食物的情況下自動(dòng)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(shuō)明。在那之后，它是獨(dú)立的。

“從移動(dòng)和競(jìng)爭(zhēng)的能力來(lái)看，所有這些過(guò)程都是獨(dú)立的。沒(méi)有外部干擾，”羅說(shuō)。“生命從幾種分子開(kāi)始數(shù)十億年。這可能是相同的。”

團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的材料在到期之前可以持續(xù)兩個(gè)合成和降級(jí)周期。研究人員表示，長(zhǎng)壽可能會(huì)延長(zhǎng)，因?yàn)樗梢宰晕覐?fù)制更多的“世代”材料。“最終，該系統(tǒng)可能會(huì)導(dǎo)致逼真的自我復(fù)制機(jī)器，”Hamada說(shuō)。

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

從理論上講，它可以設(shè)計(jì)成使后代在幾秒鐘內(nèi)出現(xiàn)。羅說(shuō)，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(guò)程。

將來(lái)，該系統(tǒng)可用作生物傳感器，以檢測(cè)任何DNA和RNA的存在。該概念還可用于創(chuàng)建動(dòng)態(tài)模板，用于制造沒(méi)有活細(xì)胞的蛋白質(zhì)。

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