واکنش نوسان سازان به اخبار

مولکول های DNA که از دستورالعمل های خاص پیروی می کنند می توانند کنترل مولکولی دقیق تری از سیستم های شیمیایی مصنوعی ارائه دهند ، کشف که در را برای مهندسان باز می کند تا ماشینهای مولکولی را با رفتارهای جدید و پیچیده ایجاد کنند. محققان با استفاده از یک روش سیستماتیک ، تقویت کننده های شیمیایی و یک نوسان ساز شیمیایی ایجاد کرده اند که پتانسیل محاسبه مدار پیشرفته را در سیستم های مولکولی طراحی کرده است که برای برنامه های کاربردی در مراقبت های بهداشتی ، مواد پیشرفته و فناوری نانو طراحی شده است.

این یافته ها در شماره 15 دسامبر مجله Science منتشر شده است.

نوسان سازهای شیمیایی مدتهاست که توسط مهندسان و دانشمندان مورد مطالعه قرار گرفته است. محققانی که نوسان ساز شیمیایی را کنترل کردند که ریتم شبانه روزی انسان را کنترل می کند - که برای ریتم روز و شب بدن ما مسئولیت پذیر است - جایزه نوبل 2017 را در فیزیولوژی یا پزشکی کسب کردند.

اگرچه درک نوسان سازهای شیمیایی و سایر فرآیندهای شیمیایی بیولوژیکی به طور قابل توجهی تکامل یافته است ، دانشمندان به اندازه کافی برای کنترل فعالیت های شیمیایی سلولهای زنده نمی دانند. این مهندسان و دانشمندان را به سمت نوسان سازهای مصنوعی که در لوله های آزمایش کار می کنند به جای سلول ها ، روی می آورند.

در مطالعه جدید ، دیوید سولوویچیک و تیم تحقیقاتی خود در دانشکده مهندسی Cockrell در دانشگاه تگزاس در آستین نشان می دهد که چگونه می توان با ساخت مولکول های DNA که از دستورالعمل های خاص پیروی می کنند ، نوسانگرهای مصنوعی و سایر سیستم ها را برنامه ریزی کنند.

Soloveichik ، استادیار گروه مهندسی برق و کامپیوتر مدرسه Cockrell ، به همراه Niranjan Srinivas ، دانشجوی فارغ التحصیل در انستیتوی فناوری کالیفرنیا ، و همکاران این مطالعه ، با موفقیت یک ماده شیمیایی اول از نوع را ساختند. نوسان ساز که از اجزای DNA استفاده می کند - و هیچ پروتئین ، آنزیم ها یا سایر اجزای سلولی وجود ندارد - نشان می دهد که DNA به تنهایی قادر به رفتار پیچیده است.

به گفته محققان ، کشف آنها نشان می دهد که DNA می تواند بسیار بیشتر از یک مولکول منفعل باشد که صرفاً برای حمل اطلاعات ژنتیکی استفاده می شود. سولوویچیک گفت: "DNA می تواند به روشی بسیار فعال تر استفاده شود.""اگر بخواهیم واقعاً می توانیم آن را رقص کنیم - با ریتم. این نشان می دهد که اسیدهای نوکلئیک (DNA و RNA) ممکن است بیشتر از آنچه تصور می کردیم انجام دهند ، که حتی می تواند درک ما را از منشأ زندگی آگاه کند ، زیرا معمولاً تصور می شود که زندگی اولیه کاملاً بر روی RNA بنا شده است. "

نوسان ساز مصنوعی جدید این تیم می تواند روزی در زیست شناسی مصنوعی یا در سلولهای کاملاً مصنوعی مورد استفاده قرار گیرد و اطمینان حاصل شود که فرآیندهای خاصی به ترتیب اتفاق می افتد. اما نوسان فقط یک نمونه از رفتار مولکولی پیشرفته است. با نگاهی به فراتر از نوسان سازها ، این کار باعث می شود که مهندسان بتوانند ماشینهای مولکولی پیشرفته تری را از DNA ایجاد کنند. بسته به نحوه برنامه ریزی دستگاه های مولکولی ، می توان رفتارهای مختلفی را ایجاد کرد ، مانند ارتباطات و پردازش سیگنال ، حل مسئله و تصمیم گیری ، کنترل حرکت و غیره-نوع محاسبات مدار که معمولاً فقط به مدارهای الکترونیکی نسبت داده می شود.

سولوویچیک گفت: "ما به عنوان مهندسین ، ما در ساخت الکترونیک پیشرفته بسیار خوب هستیم ، اما زیست شناسی از واکنشهای شیمیایی پیچیده ای در داخل سلول ها استفاده می کند تا بسیاری از موارد مشابه مانند تصمیم گیری را انجام دهد."سرانجام ، ما می خواهیم بتوانیم با مدارهای شیمیایی یک سلول ارتباط برقرار کنیم ، یا مدارهای نقص عملکرد را برطرف کنیم یا حتی برای کنترل بیشتر آنها را مجدداً برنامه ریزی کنیم. اما در کوتاه مدت ، از مدارهای DNA ما می توان برای برنامه ریزی رفتار سیستم های شیمیایی عاری از سلول که مولکول های پیچیده را سنتز می کنند ، به تشخیص امضاهای شیمیایی پیچیده و پاسخ به محیط های آنها بپردازند. "

این تیم با ساختن مولکول های DNA که دارای یک زبان برنامه نویسی خاص هستند ، نوسان ساز جدید خود را توسعه داده و یک گردش کار قابل تکرار تولید می کنند که می تواند الگوهای زمانی پیچیده دیگری را ایجاد کند و به سیگنال های شیمیایی ورودی پاسخ دهد. آنها زبان خود را به تعامل دقیق - یک روش استاندارد در زمینه الکترونیک اما کاملاً جدید در بیوشیمی.

تحقیقات این تیم به عنوان بخشی از پروژه برنامه نویسی مولکولی بنیاد ملی علوم (NSF) انجام شد ، که در سال 2008 به عنوان همکاری دانشکده برای توسعه برنامه نویسی مولکولی به یک فناوری پیشرفته ، کاربر پسند و گسترده برای ایجاد دستگاه ها و سیستم های نانو راه اندازی شد.

بودجه کار تیم UT Austin توسط NSF ، دفتر تحقیقات نیروی دریایی ، مؤسسات ملی بهداشت و بنیاد گوردون و بتی مور تأمین شد.