Microscopische DNA-‘bloemen’ kunnen medicijnen precies daar afleveren waar het nodig is

Onderzoekers van de Universiteit van North Carolina hebben microscopisch kleine, zachte robots in de vorm van bloemen gemaakt die van vorm en gedrag kunnen veranderen als reactie op hun omgeving, net zoals levende organismen dat doen. Deze kleine “DNA-bloemen” zijn gemaakt van speciale kristallen die zijn gevormd door DNA en anorganische materialen te combineren. Ze kunnen binnen enkele seconden omkeerbaar worden op- en ontvouwen, waardoor ze tot de meest dynamische materialen behoren die ooit op zo’n kleine schaal zijn ontwikkeld.

Het werk is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.

Het DNA van elke bloem werkt als een klein computerprogramma en vertelt hoe het moet bewegen en reageren op de wereld eromheen. Wanneer de omgeving verandert, bijvoorbeeld wanneer de zuurgraad stijgt of daalt, kan de bloem zich openen, sluiten of een chemische reactie veroorzaken. Dat betekent dat deze op DNA gebaseerde robots op een dag zelfstandig taken zouden kunnen uitvoeren, van het leveren van medicijnen tot het opruimen van vervuiling.

“Mensen zouden dolgraag slimme capsules willen hebben die medicijnen automatisch activeren wanneer er een ziekte wordt gedetecteerd en stoppen wanneer deze genezen is. In principe zou dit mogelijk kunnen zijn met onze vormveranderende materialen,” zei Dr. Ronit Freeman, senior en corresponderende auteur van het artikel en directeur van het Freeman Lab bij UNC.

“In de toekomst kunnen inslikbare of implanteerbare vormveranderende bloemen worden ontworpen om een ​​gerichte dosis medicijnen af ​​te geven, een biopsie uit te voeren of een bloedstolsel te verwijderen.”

Het idee is geïnspireerd op natuurlijke processen zoals het ontvouwen van bloemblaadjes, het pulseren van koraal en de vorming van weefsels in levende organismen. De onderzoekers wilden dit complexe gedrag in kunstmatige materialen nabootsen, een uitdaging die wetenschappers die op microscopische schaal werken al lang voor de gek houdt.

“We halen inspiratie uit de ontwerpen van de natuur, zoals bloeiende bloemen of groeiend weefsel, en vertalen deze naar technologie die op een dag zelfstandig zou kunnen denken, bewegen en aanpassen.” zei Vrijman.

De sleutel tot hun succes is hoe het DNA is gerangschikt in de bloemvormige kristallen. Wanneer de omgeving zuurder wordt, vouwen delen van het DNA zich stevig op, waardoor de bloem zich sluit.

Wanneer de omstandigheden weer normaal worden, wordt het DNA losser en gaan de bloemblaadjes weer open. Deze eenvoudige maar krachtige beweging kan worden gebruikt om chemische reacties te controleren, moleculen te vervoeren en vrij te geven, of interactie aan te gaan met cellen en weefsels.

Hoewel de technologie nog in de kinderschoenen staat, voorziet het team spannende toekomstige toepassingen. Op een dag zouden deze DNA-bloemen in het lichaam kunnen worden geïnjecteerd, waar ze naar een tumor zouden reizen.

Eenmaal daar kan de zuurgraad van de tumor ervoor zorgen dat de bloemblaadjes sluiten, waardoor medicijnen vrijkomen of een klein stukje weefsel wordt afgenomen. Wanneer de tumor verdwijnt, gaan de bloemen weer open en worden ze gedeactiveerd, klaar om weer te reageren als de ziekte terugkeert.

Naast de geneeskunde kunnen deze slimme materialen worden gebruikt om milieurampen op te ruimen, waarbij schoonmaakmiddelen in vervuild water terechtkomen en vervolgens onschadelijk oplossen als de klus is geklaard. Ze zouden zelfs enorme hoeveelheden digitale informatie kunnen opslaan, tot twee biljoen gigabytes in slechts een theelepel, wat in de toekomst een groenere, efficiëntere manier biedt om gegevens op te slaan, te lezen en te schrijven.

Deze doorbraak markeert een grote stap in de richting van materialen die hun omgeving kunnen waarnemen en erop kunnen reageren, waardoor de kloof tussen levende systemen en machines wordt overbrugd.