ДНК, що працюють на ДНК, зміна форми в команді

Джонс Хопкінс Інженери розробили гелеві смужки, які змінюють форму, коли надаються хімічні інструкції, написані в ДНК -коді. Ці “гелеві автомати”, що вимірюють лише сантиметри, можуть рости або скорочуватися, перетворюючись з однієї літери або числа в іншу, коли спрацьовують конкретні молекули ДНК. Цей прорив відкриває можливості для змін, що змінюють форму, та медичних пристроїв, які можуть переналаштувати себе для виконання різних завдань. Їх дослідження публікуються в Природні комунікації.

“Ці гелеві автомати, які реагують на інструкції з ДНК точно та динамічно, є важливим кроком до нового покоління адаптивних та чуйних матеріалів для застосувань від медицини до робототехніки”, – сказав Рухонг Ши, Engr23 (Ph.D.), які працювали з Ребеккою Шулман та Девідом Граціасом, обома професорами, що навчаються на інженерії. Ши – докторський науковий співробітник Національного інституту стандартів та технологій.

Зміни форми відбуваються постійно в природі, від розвитку ембріонів до зростання та старіння організмів. Створюючи гелі, дослідники були натхненні живими системами, які використовують нуклеїнові кислоти для індукції фізичних змін, традиційними машинами, які можуть неодноразово перенастроювати на основі інструкцій, та м’якими роботами, які змінюють форму у відповідь на світло або електричні сигнали.

“Наше дослідження показує, як ми можемо програмувати подібну зміну форми в дуже м’яких матеріалах, використовуючи хімічні речовини”,-сказав Грасіас.

У своєму дослідженні дослідники вперше розробили гелі, які могли б рости або скорочуватися у відповідь на сигнали чотирьох незалежних послідовностей ДНК, без іншого втручання людини. Вони спостерігали трансформацію гелів, кількісно оцінювали їх відповіді на різні хімічні сигнали, використовуючи візуалізацію часу.

Вони виявили, що на швидкість, з якою змінюється на гелі, впливає на те, як швидко вода рухається в них і виходить з них. Дослідники зазначають, що це схоже на природні явища, що включають гелеподібні речовини або тканини, наприклад, як прогресують захворювання та те, як організм заживає з часом.

Далі, команда поєднала крихітні секції з чотирьох різних типів гелів, наповнених ДНК, щоб створити смужки, які можуть змінити форму. Кожній секції можна було б індивідуально командувати рости або скорочуватися, що дозволяє дослідникам контролювати форму всю смугу.

“Організми використовують біомолекули для спрямування конкретних змін у своїй формі”, – сказав Шульман. “Наші гелеві автомати можуть зробити те саме-вони складаються з мікросегментів, які можуть зростати або скоротити, коли вони піддаються інструкціям ДНК”.

Для класифікації цих форм вони розробили згорнуту нейронну мережу (CNN) – тип штучного інтелекту, який аналізує візуальні зразки. Навчаючи цей ШІ із зображеннями рукописних чисел та модельованих форм гелю, дослідники створили сантиметрові смужки, які могли б перетворитись між літерами алфавіту та непарними або навіть числами. Це інноваційне поєднання матеріалу, що контролюється ДНК, та класифікація AI, відкриває двері для розробки складних матеріалів, що змінюють форму, повідомляє команда.

“Програмовані гель -автоматики є інтелектуально переконливими, оскільки вони пропонують нам огляд того, як ми можемо створити справді програмовану речовину”, – сказав Грасіас.