Dinamičen DNA nanomaterial s porajajočim se obnašanjem lokomocije

Dinamična regeneracija organskega materiala, ki je značilna za organizme, se poganja s pomočjo metabolizma. Snovni in energetski tokovi omogočajo sintezo prekurzorjev v makromolekule, ki se nato kot osnovni gradniki uredijo dalje v kompleksnejše sisteme. Inženirski pristopi pogosto posnemajo naravo; oponašanje metabolizma v zasnovi mehanizmov bi lahko vodila v razvoj materialov, ki imajo dinamične lastnosti živega. Med inženirskimi disciplinami ima bioinženirski pristop največji potencial za uresničitev take vizije. Poskusi zasnove takšnega materiala pa se običajno zanašajo na že obstoječi naravni metabolizem in so zato omejeni. Nekateri kemijski pristopi so uspeli iz osnovnih gradnikov s pomočjo kemijskih reakcij ustvariti sisteme, ki delujejo po principu disipativnega avtonomnega sestavljanja izven ravnotežja ob dotoku energije, kar je po načinu delovanja relativno podobno metabolizmu v živih organizmih. Takšen pristop je vzpodbudil avtorje članka, da so zasnovali sistem umetnega metabolizma, ki služi kot pogon za dinamičen nanomaterial. Takšen sistem lahko avtonomno in dinamično proizvaja material, ki je strukturno urejen. Temelji na sklopitvi reakcij sinteze in razgradnje ter procesov disipativnega sestavljanja. Vse to so dosegli s pomočjo bioloških molekul in bioloških reakcij, ki pa v tem primeru niso bile omejene s standardnimi strogimi pravili življenja. Sistem so poimenovali DASH, kar je kratica za angleško ime »DNA-based assembly and synthesis of hierarchical materials«.

Sistem DASH

V sistemu DASH kot osnovni material služi DNA, saj je izredno fleksibilna in uporabna. Z inženirskega vidika ima DNA popolne lastnosti, saj je modularna, omogoča lahko manipulacijo, zavzame lahko oblike od nanodelcev do hidrogelov, služi pa lahko tudi kot encimski substrat. Ustvarjeni sistem je združeval anabolizem in katabolizem, tako da je lahko ciklično prihajalo do nastanka in razpada materiala. Oba procesa, nastanek in razpad, sta potekala kontrolirano in načrtovano, kot odziv na vgrajene prostorsko-časovno povratne signale. Obašanje sistema je mogoče predstaviti kot mehanizem s končnim številom možnih stanj (ang. finate-state automaton, FSA). Takšno obnašanje prinaša predvidljivost in omogoča programiranje. Končni rezultat dela avtorjev je nanomaterial z možnostjo lokomocije, ki je posledica polariziranih procesov regeneracije skozi serijo FSA-jev.

Anabolizem

Prva komponenta metabolizma je anabolizem. Anabolne procese so dosegli s pomočjo in situ encimske reakcije, kjer je polimeraza Phi29 pomnoževala matrično DNA po principu kotalečega se kroga. Da je reakcija lahko potekala, so v mikrokomoro, kjer je material nastajal, neprestano dovajali generacijsko mešanico, kje vsebovala vse potrebno za sintezo DNA. Tako sintetizirani gradniki DNA so se v naslednjem koraku avtonomno organizirali v hierarhično strukturo oz. omrežje. Kot nukleacijska jedra za sestavljanje prekurzorjev so služila območja velike turbolentnosti znotraj komore, ki so nastala kot posledica stebričkov oz. ovir.

Katabolizem

V naslednjem koraku so avtorji želeli ta umetni metabolizem razširiti z integeacijo katabolnih procesov, kar so dosegli s pomočjo DNA hidrolizirajočih encimov (DNase I). Mikrofluidno komoro so razširili tako, da so vanjo vodile 3 cevi. Po sredinski so dovajali generacijsko tekočino, skozi stranski dve pa degradacijsko tekočino, ki je vsebovala encime za razgradnjo DNA. Splošno obnašanje sistema se lahko opiše s FSA, ki ima 3 stopnje: iniciacija, rast in degradacija, preklopi med posameznimi stopnjami pa se zgodijo zaporedno in avtonomno. Preklop med fazo rasti in fazo razpada je sprožil prostorsko-časovno povratna zveza. Na začetku so vsi trije tokovi laminarni in zato vzporedni. Zaradi turbolence ob stebrih pride do spontane rasti DNA filamentov, ki povzročijo vedno večjo turbolentnost in s tem hitrejšo rast. Ko filamentozna struktura zraste dovolj, začne interagirati s stranskimi tokovi, ki vsebujejo degradacijsko tekočino; pride do mešanja in sproži se prehod iz faze rasti v fazo razpada. Katabolični procesi s časom prevladajo in celotna struktura se razgradi.

Lokomocija

V zadnjem koraku so avtorji sprogramirali lokomocijo nanomateriala proti toku generacijske/degradacijske tekočine. Komoro so razdelili v 6 regij, vsaka regija je predstavljala svoj FSA. Vsaka enota (Mn) je lahko sprejela signal o spremembi toka od enote pred njo (Mn+1), kar je sprožilo prehod iz faze rasti v fazo razpada. Premikanje je bilo doseženo s programiranjem različnih časov, ki so potrebni, da pride sistem iz faze iniciacije v fazo rasti. To so storili z natančnimi razlikami v pozicijah ovir, ki so povzročale turbolenco. Čas iniciacije je bil najkrajši na začetku komore (M1, t1) in je bil daljši za vsako nadaljnjo regijo (t2<t3<t4, ….). Rezultat je bila navidezna lokomocija nanomateriala s hitrostjo 2,3 mm/h proti toku.

Zaključek

Avtorjem je uspelo pripraviti nanomaterial, ki je s pomočjo umetnega metabolizma dosegel navidezno lokomocijo proti toku. Gre za sistem z deterministično določenim obnašanjem, ki ga je mogoče sprogramirati. Zasnovani sistem lahko predstavlja osnovo za razvoj in izdelavo samo-reproduktivnih sistemov z dinamičnim lastnostmi živega, ki bi lahko bili uporabni na številnih tehnoloških in zdravstvenih področjih.

Viri

S. Hamada idr., „Dynamic DNA material with emergent locomotion behavior powered by artificial metabolism“, Sci. Robot., let. 4, št. 29, str. 3512, 2019.