Foto-schakelbare DNA-condensaten maken op afstandsbediening met microflow-systemen mogelijk

Microflow op afstand gecontroleerd met behulp van lichtgecontroleerde overgangen van de toestand in DNA-condensaten is gemeld door wetenschappers van het Institute of Science Tokyo, Japan. Door te schakelen tussen ultraviolet licht (UV) en zichtbare lichtbestraling, toonden de onderzoekers aan dat de nieuwe DNA -motieven die azobenzeen bevatten, kunnen dissociëren of weer in elkaar zetten. Bovendien genereerde gelokaliseerde foto-switching binnen een DNA-vloeistofcondensaat twee verschillende directionele bewegingen. Deze studie kan de ontwikkeling van innovatieve vloeistofgebaseerde diagnostische chips en moleculaire computers voeden.

De vooruitgang in micro- en nano-schaal fabricagetechnologieën hebben aanleiding gegeven tot verschillende entiteiten van micrometers zoals microgels en liposomen, die op grote schaal worden gebruikt in therapeutische formuleringen en microfluïdische sensoren. De precieze controle van de structuur en functie maakt het mogelijk om objecten op micro-schaal in verschillende toepassingen aan te nemen. De externe controleerbaarheid van geminiaturiseerde vloeistofobjecten is echter nog niet gerealiseerd.

Een recente studie door wetenschappers van het Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), Japan, vormt een belangrijke stap in de richting van de ontwikkeling van op afstand controleerbare microfluïdische objecten die in staat zijn mechanische acties te uitvoeren. Het onderzoeksteam bestond uit professor Masahiro Takinoue en speciaal benoemde universitair docent Hirotake Udono, beide van het Department of Computer Science, samen met universitair hoofddocent Shin-Ichiro M. Nomura van de afdeling Robotics, Graduate School of Engineering, Tohoku University. Hun onderzoeksresultaten werden online gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 14 mei 2025.

In hun onderzoek gebruikten de onderzoekers fotoresponsieve DNA-vloeistofcondensaten die azobenzeen (AZO) bevatten-een foto-reactieve verbinding. Drie enkelstrengige DNA-strengen zelf geassembleerd via complementaire basispaar van nucleotiden om onderscheidende “y” -vormige nanostructuren (y-motifs) te vormen. Azobenzeen werd opgenomen in de terminale overhangen van het y-motief, of “plakkerige uiteinden” om fotoresponsieve DNA-motieven te vormen.

“Eerdere studies hebben de foto-gereguleerde toestandsovergangen van zelf-geassembleerde DNA-structuren gerapporteerd. Er heeft echter geen enkele studie significante mechanische acties bereikt. Via onze studie hebben we op afstand gecontroleerde microflow aangetoond met behulp van fotoresponsieve DNA-condensaten,” opmerkingen Takinoue, Takinoue, Takinoue, Takinoue, Takinoue, de nieuwigheid van de huidige studie.

Door te schakelen tussen ultraviolet licht (UV) en zichtbare lichtbestraling, toonden de wetenschappers aan dat de DNA -motieven omkeerbaar dissociëren of opnieuw in elkaar grijpen. Interessant is dat de door licht geïnduceerde veranderingen in de motiefbindende toestand leidden tot een omkeerbare verandering in vloeibaarheid, van een gel tot vloeibare of gedissocieerde toestanden, en vice versa.

Om microflows te maken met behulp van de gefabriceerde DNA-motieven, werd een niet-fotoresponsief motief zonder azobenzeen verknoopt tot een fotoresponsieve DNA-structuur. Het plakkerige uiteinde van het niet-fotoresponsieve motief bevatte een orthogonale DNA-sequentie.

“Deze cross-linking maakte mechanische acties mogelijk door het fotoresponsieve DNA-condensaat op het niet-fotoresponsieve DNA-condensaat,” merkt Takinoue op.

Tijdens verdere experimenten ontdekten de wetenschappers meerdere modi in de door de foto gegenereerde mechanische acties. Aanvankelijk werd een snelle, diffusie-achtige naar buitenuitspreiding van DNA-condensaten gedetecteerd wanneer deze bestraald met UV-licht. Verder werd een UV-geïnduceerde gel-naar-vloeistof-toestandovergang genaamd collapse-modus waargenomen in condensaten met een andere DNA-sequentie.

Opmerkelijk is dat door af te wisselen tussen UV en zichtbaar licht, een ‘spread and collect’ -modus een omkeerbare fase-overgang van een vloeistof-naar-gedissocieerde toestand aangeeft, gevolgd door opnieuw samenstellen in vloeibaar DNA, aangetoond door de onderzoekers.

Om hun toepassing in de richting van directionele beweging te tonen, werd een gretig gespireerde robotachtige activering, gelokaliseerde UV-zichtbare foto-switching gericht op een fractie van het condensaat uitgevoerd, wat resulteerde in twee verschillende directionele bewegingen van de DNA-vloeibare condensaten. “Bij lagere schakelfrequenties kan het DNA-condensaat zwemmen als een kwal, en bij hogere frequenties kan het condensaat worden getrokken door zijn gelokaliseerde cyclusstroom, die doet denken aan de beweging van Pac-Man,” zegt Takinoue.

Samenvattend werpt deze studie licht op op afstandsbediende mechanische acties in op DNA gebaseerde micro-assemblies. De potentiële toepassingen van deze nieuwe DNA-condensaten omvatten intelligente op vloeistof gebaseerde diagnostische chips en moleculaire computers van het vloeistoftype.