Oscilador Químico Avanzado Ofrece Un Nuevo Nivel De Control Molecular

El primer oscilador químico de su tipo ofrece un nuevo nivel de control molecular

Imagen cortesía de Ella Maru Studio y Cody Geary

ADN Las moléculas que siguen instrucciones específicas podrían ofrecer un control molecular más preciso de los sistemas químicos sintéticos, un descubrimiento que abre la puerta a los ingenieros para crear máquinas moleculares con comportamientos nuevos y complejos. Los investigadores han creado amplificadores químicos y un oscilador químico utilizando un método sistemático que tiene el potencial de incorporar computación de circuitos sofisticados dentro de sistemas moleculares diseñados para aplicaciones en el cuidado de la salud, materiales avanzados y nanotecnología.

Los osciladores químicos han sido estudiados durante mucho tiempo por ingenieros y científicos. Los investigadores que descubrieron el oscilador químico que controla el ritmo circadiano humano, responsable del ritmo diurno y nocturno de nuestro cuerpo, obtuvieron el Premio Nobel de fisiología o medicina de 2017.

Aunque la comprensión de los osciladores químicos y otros procesos químicos biológicos ha evolucionado significativamente, los científicos no saben lo suficiente para controlar las actividades químicas de las células vivas. Esto está llevando a los ingenieros y científicos a recurrir a osciladores sintéticos que funcionan en tubos de ensayo en lugar de en células.

En el nuevo estudio, David Soloveichik y su equipo de investigación de la Escuela de Ingeniería Cockrell de la Universidad de Texas en Austin muestran cómo programar osciladores sintéticos y otros sistemas mediante la construcción de moléculas de ADN que siguen instrucciones específicas.

Soloveichik, profesor asistente en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Escuela Cockrell, junto con Niranjan Srinivas, estudiante de posgrado en el Instituto de Tecnología de California, y los coautores del estudio, han construido con éxito un producto químico único en su tipo. oscilador que utiliza componentes de ADN, y no proteínas, enzimas u otros componentes celulares, lo que demuestra que el ADN solo es capaz de un comportamiento complejo.

Según los investigadores, su descubrimiento sugiere que el ADN puede ser mucho más que una simple molécula pasiva utilizada únicamente para transportar información genética. “El ADN se puede utilizar de una manera mucho más activa”, dijo Soloveichik. “De hecho, podemos hacerlo bailar, con un ritmo, por así decirlo. Esto sugiere que los ácidos nucleicos (ADN y ARN ) podría estar haciendo más de lo que pensábamos, lo que incluso puede informar nuestra comprensión del origen de la vida, ya que comúnmente se piensa que la vida temprana se basó completamente en el ARN “.

El nuevo oscilador sintético del equipo podría algún día usarse en biología sintética o en células completamente artificiales, asegurando que ciertos procesos sucedan en orden. Pero la oscilación es solo un ejemplo de comportamiento molecular sofisticado. Mirando más allá de los osciladores, este trabajo abre la puerta para que los ingenieros creen máquinas moleculares más sofisticadas a partir del ADN. Dependiendo de cómo estén programadas las máquinas moleculares, se podrían generar diferentes comportamientos, como procesamiento de señales y comunicaciones, resolución de problemas y toma de decisiones, control de movimiento, etc., el tipo de cálculo de circuitos que generalmente se atribuye solo a los circuitos electrónicos.

“Como ingenieros, somos muy buenos en la construcción de componentes electrónicos sofisticados, pero la biología usa reacciones químicas complejas dentro de las células para hacer muchas del mismo tipo de cosas, como tomar decisiones”, dijo Soloveichik. “Con el tiempo, queremos ser capaces de interactuar con los circuitos químicos de una celda, o arreglar los circuitos que funcionan mal o incluso reprogramarlos para un mayor control. Pero a corto plazo, nuestros circuitos de ADN podrían usarse para programar el comportamiento de sistemas químicos libres de células que sintetizan moléculas complejas, diagnostican firmas químicas complejas y responden a sus entornos ”.

El equipo desarrolló su nuevo oscilador mediante la construcción de moléculas de ADN que tienen un lenguaje de programación específico, produciendo un flujo de trabajo repetible que puede generar otros patrones temporales complejos y responder a señales químicas de entrada. Compilaron su lenguaje en interacciones precisas, una práctica estándar en el campo de la electrónica pero completamente nueva en bioquímica.

La investigación del equipo se realizó como parte del Proyecto de Programación Molecular de la National Science Foundation (NSF), que se lanzó en 2008 como una colaboración de la facultad para desarrollar la programación molecular en una tecnología sofisticada, fácil de usar y ampliamente utilizada para crear dispositivos y sistemas a nanoescala.

El financiamiento para el trabajo del equipo de UT Austin fue proporcionado por la NSF, la Oficina de Investigación Naval, los Institutos Nacionales de Salud y la Fundación Gordon y Betty Moore.

Publicación: Niranjan Srinivas, et al., “Enzyme-free nucleic ácido sistemas dinámicos ”, Science, 2017: Vol. 358, edición 6369, eaal2052; DOI: 10.1126 / science.aal2052

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