Engenheiros criam material "natural" com metabolismo artificial

Como material genético, o DNA é responsável por toda a vida conhecida. Mas o DNA também é um polímero. Aproveitando a natureza única da molécula, os engenheiros da Cornell criaram máquinas simples construídas de biomateriais com propriedades dos seres vivos.

Usando o que eles chamam de materiais DASH (Montagem Baseada no DNA e Síntese de Hierarquia), os engenheiros da Cornell construíram um material de DNA com capacidades de metabolismo, além de automontagem e organização - três características-chave da vida.

“Estamos introduzindo um novo conceito de material natural, alimentado por seu próprio metabolismo artificial. Nós não estamos fazendo algo que esteja vivo, mas estamos criando materiais que são muito mais vivos do que já foram vistos antes ”, disse Dan Luo , professor de engenharia biológica e ambiental na Faculdade de Agricultura e Ciências da Vida.

Para qualquer organismo vivo se manter, deve haver um sistema para administrar a mudança. Novas células devem ser geradas; Celas velhas e resíduos devem ser varridos. A biossíntese e a biodegradação são elementos-chave da auto-sustentabilidade e requerem metabolismo para manter sua forma e funções.

Através deste sistema, as moléculas de DNA são sintetizadas e montadas em padrões de forma hierárquica, resultando em algo que pode perpetuar um processo dinâmico e autônomo de crescimento e decadência.

Usando o DASH, os engenheiros da Cornell criaram um biomaterial que pode emergir autonomamente de seus blocos de construção em nanoescala e se organizar - primeiro em polímeros e, por fim, em formas de mesoescala. Partindo de uma sequência de sementes de base de 55 nucleótidos, as moléculas de DNA foram multiplicadas centenas de milhares de vezes, criando cadeias de DNA repetido com alguns milímetros de tamanho. A solução de reação foi então injetada em um dispositivo microfluídico que forneceu um fluxo líquido de energia e os blocos de construção necessários para a biossíntese.

À medida que o fluxo passava sobre o material, o DNA sintetizava seus próprios fios novos, com a extremidade dianteira do material crescendo e a ponta final se degradando em equilíbrio otimizado. Desta forma, ele fez sua própria locomoção, rastejando para frente, contra o fluxo, de uma maneira semelhante à forma como os moldes de lodo se movem.

A habilidade da locomotiva permitiu que os pesquisadores colocassem conjuntos do material um contra o outro em corridas competitivas. Devido à aleatoriedade no ambiente, um corpo acabaria por ganhar uma vantagem sobre o outro, permitindo que um cruzasse uma linha de chegada primeiro.

“Os projetos ainda são primitivos, mas mostraram um novo caminho para criar máquinas dinâmicas a partir de biomoléculas. Estamos em um primeiro passo na construção de robôs naturais por meio do metabolismo artificial ”, disse Shogo Hamada , professor e pesquisador associado no laboratório de Luo, e principal autor do artigo. “Mesmo a partir de um design simples, conseguimos criar comportamentos sofisticados, como corridas. Metabolismo artificial poderia abrir uma nova fronteira na robótica. ”

Os engenheiros estão atualmente explorando maneiras de fazer o material reconhecer estímulos e, de forma autônoma, ser capaz de procurá-lo no caso de luz ou alimento, ou evitá-lo se for prejudicial.

O metabolismo programado incorporado em materiais de DNA é a principal inovação. O DNA contém o conjunto de instruções para o metabolismo e a regeneração autônoma. Depois disso, é por conta própria.

“Tudo, desde sua capacidade de se movimentar e competir, todos esses processos são autocontidos. Não há interferência externa ”, disse Luo. “A vida começou bilhões de anos a partir de talvez apenas alguns tipos de moléculas. Isso pode ser o mesmo.

O material que a equipe criou pode durar dois ciclos de síntese e degradação antes de expirar. A longevidade provavelmente pode ser estendida, de acordo com os pesquisadores, abrindo a possibilidade de mais “gerações” do material à medida que ele se auto-reproduz. "Em última análise, o sistema pode levar a máquinas de auto-reprodução realistas", disse Hamada.

"Mais empolgante, o uso do DNA dá a todo o sistema uma possibilidade de auto-evolução", disse Luo. "Isso é enorme."

Teoricamente, ele poderia ser projetado de forma que as gerações subseqüentes emergissem em segundos. A reprodução nesse ritmo acelerado tiraria vantagem das propriedades mutacionais naturais do DNA e aceleraria o processo evolutivo, de acordo com Luo.

No futuro, o sistema poderia ser usado como um biossensor para detectar a presença de qualquer DNA e RNA. O conceito também poderia ser usado para criar um modelo dinâmico para produzir proteínas sem células vivas.

O trabalho foi financiado em parte pela National Science Foundation e apoiado pela Cornell Nanociência e Facility Tecnologia e Instituto Kavli em Cornell de Nanociência . Colaboradores incluem Jenny Sabin, a Arthur L. e Isabel B. Wiesenberger Professora de Arquitetura, e pesquisadores da Universidade de Xangai Jiaotong e da Academia Chinesa de Ciências.

Há uma patente pendente no Centro de Licenciamento de Tecnologia.

O artigo, "Material de DNA dinâmico com comportamento de locomoção emergente impulsionado pelo metabolismo artificial ", publicado em 10 de abril na Science Robotics.

Fonte - Cornell University