_ Molecular morphers: alimentat de ADN geluri cu schimbarea formei la comandă

Inginerii Johns Hopkins au dezvoltat benzi de gel care își schimbă forma atunci când li se oferă instrucțiuni chimice scrise în codul ADN. Aceste „automate gel”, măsurând doar centimetri, pot crește sau micșora, transformându-se de la o literă sau un număr la altul atunci când sunt declanșate de anumite molecule de ADN. Această descoperire deschide posibilități pentru roboții și dispozitivele medicale care își schimbă forma, care se pot reconfigura pentru a îndeplini diverse sarcini. Cercetarea lor este publicată în Nature Communications.

„Acești automate cu gel, care răspund la instrucțiunile ADN-ului în mod precis și dinamic, reprezintă un pas important către o nouă generație de materiale adaptative și receptive pentru aplicații de la medicină la robotică”. a spus Ruohong Shi, Ingr '23 (Ph.D.), care a lucrat cu Rebecca Schulman și David Gracias, ambii profesori la Departamentul de Chimice și Biomoleculare al Școlii de Inginerie Whiting. Inginerie, pe studiu. Shi este bursier postdoctoral la Institutul Național de Standarde și Tehnologie.

Modificările de formă au loc tot timpul în natură, de la dezvoltarea embrionilor până la creșterea și îmbătrânirea organismelor. În crearea gelurilor, cercetătorii s-au inspirat din sistemele vii care folosesc acizi nucleici pentru a induce modificări fizice, de mașini tradiționale care se pot reconfigura în mod repetat pe baza instrucțiunilor și de roboți moi care își schimbă forma ca răspuns la semnale luminoase sau electrice.

„Studiul nostru arată cum putem programa schimbări similare de formă în materiale foarte moi folosind substanțe chimice”, a spus Gracias.

În studiul lor, cercetătorii au dezvoltat pentru prima dată geluri care ar putea crește sau se micșorează ca răspuns la semnalele de la patru secvențe independente de ADN fără altă intervenție umană. Ei au observat transformarea gelurilor, cuantificându-și răspunsurile la diferite semnale chimice folosind imagini time-lapse.

Ei au descoperit că viteza cu care gelurile își schimbă forma este influențată de cât de repede se mișcă apa în și din ele. . Cercetătorii observă că acest lucru este similar cu fenomenele naturale care implică substanțe sau țesuturi asemănătoare gelului, cum ar fi modul în care bolile progresează și modul în care organismul se vindecă în timp.

În continuare, echipa a combinat secțiuni minuscule de patru tipuri diferite. de geluri infuzate cu ADN pentru a crea benzi care ar putea schimba forma. Fiecare secțiune ar putea fi comandată individual să crească sau să se micșoreze, permițând cercetătorilor să controleze întreaga formă a benzii.

„Organismele folosesc biomolecule pentru a direcționa modificări specifice în forma lor”, a spus Schulman. „Automatele noastre de gel pot face același lucru – constau din micro-segmente care pot crește sau micșora fiecare atunci când sunt expuse la instrucțiunile ADN.”

Pentru a clasifica aceste forme, au dezvoltat o rețea neuronală convoluțională (CNN) — un tip de inteligență artificială care analizează tipare vizuale. Antrenând această inteligență artificială cu imagini cu numere scrise de mână și forme de gel simulate, cercetătorii au creat benzi lungi de centimetri care s-ar putea transforma între litere ale alfabetului și numere pare sau impare. Această combinație inovatoare de material controlat de ADN și clasificare AI deschide ușa pentru dezvoltarea de materiale complexe care își schimbă forma, potrivit echipei.

„Automatele cu gel programabile sunt convingătoare din punct de vedere intelectual, deoarece ne oferă o privire asupra modului în care am putea fi capabili să creăm materie cu adevărat programabilă”, a spus Gracias.

(Fluierul)