Moléculas de DNA que seguem instruções específicas podem oferecer um controle molecular mais preciso de sistemas químicos sintéticos, uma descoberta que abre a porta para os engenheiros criarem máquinas moleculares com comportamentos novos e complexos. Os pesquisadores criaram amplificadores químicos e um oscilador químico usando um método sistemático que tem o potencial de incorporar computação de circuito sofisticado em sistemas moleculares projetados para aplicações em saúde, materiais avançados e nanotecnologia.

Os resultados foram publicados na edição de 15 de dezembro da revista. Ciência .

Os osciladores químicos há muito são estudados por engenheiros e cientistas. Os pesquisadores que descobriram o oscilador químico que controla o ritmo circadiano humano - responsável pelo ritmo diurno e noturno de nossos corpos - ganharam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 2017.

Embora a compreensão dos osciladores químicos e outros processos químicos biológicos tenha evoluído significativamente, os cientistas não sabem o suficiente para controlar as atividades químicas das células vivas. Isso está levando engenheiros e cientistas a recorrer a osciladores sintéticos que funcionam em tubos de ensaio em vez de em células.

No novo estudo, David Soloveichik e sua equipe de pesquisa na Escola de Engenharia Cockrell da Universidade do Texas em Austin mostram como programar osciladores sintéticos e outros sistemas construindo moléculas de DNA que seguem instruções específicas.

Soloveichik, um professor assistente no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Escola Cockrell, junto com Niranjan Srinivas, um estudante de pós-graduação no Instituto de Tecnologia da Califórnia, e os co-autores do estudo, construíram com sucesso um oscilador químico pioneiro que usa componentes de DNA - e nenhuma proteína, enzimas ou outros componentes celulares - demonstrando que o DNA sozinho é capaz de comportamentos complexos.

De acordo com os pesquisadores, sua descoberta sugere que o DNA pode ser muito mais do que simplesmente uma molécula passiva usada exclusivamente para transportar informações genéticas. "O DNA pode ser usado de uma maneira muito mais ativa, "Soloveichik disse." Nós podemos realmente fazê-lo dançar - com um ritmo, Se você for. Isso sugere que os ácidos nucléicos (DNA e RNA) podem estar fazendo mais do que pensávamos, que pode até informar a nossa compreensão da origem da vida, uma vez que é comumente pensado que o início da vida foi baseado inteiramente no RNA. "

O novo oscilador sintético da equipe pode um dia ser usado em biologia sintética ou em células totalmente artificiais, garantindo que certos processos ocorram em ordem. Mas a oscilação é apenas um exemplo de comportamento molecular sofisticado. Olhando além dos osciladores, este trabalho abre a porta para os engenheiros criarem máquinas moleculares mais sofisticadas a partir do DNA. Dependendo de como as máquinas moleculares são programadas, diferentes comportamentos podem ser gerados, como comunicação e processamento de sinal, resolução de problemas e tomada de decisão, controle de movimento, etc. - o tipo de computação de circuito geralmente atribuído apenas a circuitos eletrônicos.

"Como engenheiros, somos muito bons em construir eletrônicos sofisticados, mas a biologia usa reações químicas complexas dentro das células para fazer muitos dos mesmos tipos de coisas, como tomar decisões, "Soloveichik disse." Eventualmente, queremos ser capazes de interagir com os circuitos químicos de uma célula, ou consertar circuitos com defeito ou mesmo reprogramá-los para maior controle. Mas a curto prazo, nossos circuitos de DNA poderiam ser usados ​​para programar o comportamento de sistemas químicos livres de células que sintetizam moléculas complexas, diagnosticar assinaturas químicas complexas e responder a seus ambientes. "

A equipe desenvolveu seu novo oscilador construindo moléculas de DNA que possuem uma linguagem de programação específica, produzir um fluxo de trabalho repetível que pode gerar outros padrões temporais complexos e responder aos sinais químicos de entrada. Eles compilaram sua linguagem em interações precisas - uma prática padrão no campo da eletrônica, mas completamente nova em bioquímica.

A pesquisa da equipe foi conduzida como parte do Projeto de Programação Molecular da National Science Foundation (NSF), que foi lançado em 2008 como uma colaboração do corpo docente para desenvolver a programação molecular em um sofisticado, tecnologia amigável e amplamente utilizada para a criação de dispositivos e sistemas em nanoescala.