En el desarrollo de sistemas y materiales autónomos, Las estructuras moleculares autoensambladas controladas por redes de reacción química son cada vez más importantes. Sin embargo, faltan mecanismos externos sencillos que aseguren que los componentes de estas redes de reacción puedan activarse de forma controlada.

Un equipo de investigación dirigido por el Prof.Dr. Andreas Walther y el Prof.Dr. Henning Jessen del Cluster of Excellence Living, Los sistemas de materiales adaptativos y autónomos de energía (livMatS) y Jie Deng del Instituto de Química Macromolecular de la Universidad de Friburgo son los primeros en mostrar cómo los componentes individuales de las estructuras basadas en el ADN autoensamblado se pueden activar y controlar utilizando una foto reactiva a la luz. interruptores. Los investigadores han publicado sus resultados en la revista Angewandte Chemie .

Utilizando modelos biológicos como los microtúbulos, los investigadores están desarrollando estructuras de autoensamblaje. Los microtúbulos son complejos de proteínas que forman una estructura de andamio dinámica en las células de las plantas, animales y humanos. Su estructura de autoensamblaje significa que los microtúbulos se forman y se degradan constantemente al mismo tiempo. Esto permite que el andamio se adapte fácilmente a situaciones cambiantes y reaccione rápidamente a los estímulos reorganizando los bloques de construcción. Estos procesos están impulsados ​​por una constante disipación de energía, es decir, una conversión de energía, que el organismo regula a través de mecanismos de retroalimentación. Las estructuras de materiales que actúan de forma autónoma, como las desarrolladas por los científicos del grupo de excelencia livMatS, deberían ser igualmente adaptables en el futuro. Esto se puede lograr con sistemas, en el que se produce una activación y desactivación energética provocando la formación estructural y la degradación de los bloques de construcción.

En su trabajo, los investigadores de Friburgo añaden el trifosfato de adenosina (ATP), proveedor de energía, a los componentes básicos del ADN de dicho sistema. Los científicos han instalado fotointerruptores moleculares en un lado del ATP. Estos reaccionan a la luz al caer cuando se irradian específicamente y liberan el ATP como una molécula de combustible eficaz para el sistema. El control de los interruptores fotográficos está influenciado por la longitud de onda de la luz, la duración de la irradiación y la intensidad de la luz. La activación específica de ATP a su vez desencadena un proceso:una enzima cierra un enlace que forma hebras más largas a partir de los monómeros de ADN. Otra enzima, que puede reconocer y cortar el ADN en ciertas posiciones, vuelve a escindir los sitios de unión. Esto da como resultado una formación y degradación simultáneas de los bloques de construcción. Durante este proceso, los bloques de construcción de ADN individuales se combinan para formar un polímero.

"Nuestro objetivo a largo plazo es utilizar el combustible biológico ATP para desarrollar materiales sintéticos que al menos difuminen la línea entre la materia viva y muerta, "explica Andreas Walther." Si somos capaces de utilizar ATP como combustible y convertir la energía química en trabajo, podemos diseñar la próxima generación de materiales de implantes que puedan cambiar activamente e interactuar verdaderamente con el cuerpo humano ".