DNA-betriebene Gele verändern ihre Form auf Befehl

Ingenieure von Johns Hopkins haben Gelstreifen entwickelt, die ihre Form ändern, wenn ihnen im DNA-Code geschriebene chemische Anweisungen gegeben werden. Diese nur Zentimeter großen „Gelautomaten“ können wachsen oder schrumpfen und sich von einem Buchstaben oder einer Zahl in eine andere verwandeln, wenn sie durch bestimmte DNA-Moleküle ausgelöst werden. Dieser Durchbruch eröffnet Möglichkeiten für formverändernde Roboter und medizinische Geräte, die sich selbst neu konfigurieren können, um verschiedene Aufgaben auszuführen. Ihre Forschung ist veröffentlicht In Naturkommunikation.

„Diese Gelautomaten, die präzise und dynamisch auf DNA-Anweisungen reagieren, stellen einen wichtigen Schritt hin zu einer neuen Generation adaptiver und reaktionsfähiger Materialien für Anwendungen von der Medizin bis zur Robotik dar“, sagte Ruohong Shi, Engr ’23 (Ph.D.), der arbeitete an der Studie mit Rebecca Schulman und David Gracias, beide Professoren am Department of Chemical and Biomolecular Engineering der Whiting School of Engineering. Shi ist Postdoktorand am National Institute of Standards and Technology.

Formveränderungen kommen in der Natur ständig vor, von der Entwicklung von Embryonen bis zum Wachstum und Alterung von Organismen. Bei der Herstellung der Gele ließen sich die Forscher von lebenden Systemen inspirieren, die Nukleinsäuren verwenden, um physikalische Veränderungen herbeizuführen, von traditionellen Maschinen, die sich auf der Grundlage von Anweisungen immer wieder neu konfigurieren können, und von weichen Robotern, die als Reaktion auf Licht oder elektrische Signale ihre Form ändern.

„Unsere Studie zeigt, wie wir mithilfe von Chemikalien ähnliche Formänderungen in sehr weichen Materialien programmieren können“, sagte Gracias.

In ihrer Studie entwickelten die Forscher zunächst Gele, die als Reaktion auf die Signale von vier unabhängigen DNA-Sequenzen ohne weiteren menschlichen Eingriff wachsen oder schrumpfen konnten. Sie beobachteten die Transformation der Gele und quantifizierten ihre Reaktionen auf verschiedene chemische Signale mithilfe von Zeitrafferaufnahmen.

Sie fanden heraus, dass die Geschwindigkeit, mit der die Gele ihre Form ändern, davon abhängt, wie schnell Wasser in sie hinein und aus ihnen heraus fließt. Die Forscher stellen fest, dass dies mit natürlichen Phänomenen vergleichbar ist, an denen gelartige Substanzen oder Gewebe beteiligt sind, beispielsweise wie Krankheiten fortschreiten und wie der Körper im Laufe der Zeit heilt.

Als nächstes kombinierte das Team winzige Abschnitte von vier verschiedenen Arten von DNA-infundierten Gelen, um Streifen zu erzeugen, die ihre Form ändern konnten. Jeder Abschnitt konnte individuell zum Wachsen oder Schrumpfen gesteuert werden, sodass die Forscher die Form des gesamten Streifens steuern konnten.

„Organismen nutzen Biomoleküle, um spezifische Veränderungen in ihrer Form zu steuern“, sagte Schulman. „Unsere Gelautomaten können das Gleiche tun – sie bestehen aus Mikrosegmenten, die jeweils wachsen oder schrumpfen können, wenn sie den DNA-Anweisungen ausgesetzt werden.“

Um diese Formen zu klassifizieren, entwickelten sie ein Convolutional Neural Network (CNN) – eine Art künstliche Intelligenz, die visuelle Muster analysiert. Durch das Training dieser KI mit Bildern von handgeschriebenen Zahlen und simulierten Gelformen erstellten die Forscher zentimeterlange Streifen, die zwischen Buchstaben des Alphabets und ungeraden oder geraden Zahlen wechseln konnten. Diese innovative Kombination aus DNA-kontrolliertem Material und KI-Klassifizierung öffnet die Tür für die Entwicklung komplexer formverändernder Materialien, so das Team.

„Programmierbare Gelautomaten sind intellektuell fesselnd, weil sie uns Einblicke geben, wie wir wirklich programmierbare Materie erschaffen können“, sagte Gracias.