Suppr超能文献

基于 DNA 的反应扩散系统中的可编程模式。

Programmable patterns in a DNA-based reaction-diffusion system.

机构信息

Department of Physics, University of Washington, USA.

出版信息

Soft Matter. 2020 Apr 14;16(14):3555-3563. doi: 10.1039/c9sm02413a. Epub 2020 Mar 27.

Abstract

Biology offers compelling proof that macroscopic "living materials" can emerge from reactions between diffusing biomolecules. Here, we show that molecular self-organization could be a similarly powerful approach for engineering functional synthetic materials. We introduce a programmable DNA embedded hydrogel that produces tunable patterns at the centimeter length scale. We generate these patterns by implementing chemical reaction networks through synthetic DNA complexes, embedding the complexes in the hydrogel, and triggering with locally applied input DNA strands. We first demonstrate ring pattern formation around a circular input cavity and show that the ring width and intensity can be predictably tuned. Then, we create patterns of increasing complexity, including concentric rings and non-isotropic patterns. Finally, we show "destructive" and "constructive" interference patterns, by combining several ring-forming modules in the gel and triggering them from multiple sources. We further show that computer simulations based on the reaction-diffusion model can predict and inform the programming of target patterns.

摘要

生物学提供了令人信服的证据,证明宏观的“生命材料”可以从扩散生物分子之间的反应中产生。在这里,我们表明,分子自组织可能是一种同样强大的方法,用于工程功能合成材料。我们引入了一种可编程的 DNA 嵌入水凝胶,可以在厘米长度尺度上产生可调谐的图案。我们通过在合成 DNA 复合物中实现化学反应网络,将复合物嵌入水凝胶中,并通过局部施加的输入 DNA 链来触发,从而生成这些图案。我们首先演示了围绕圆形输入腔的环形图案形成,并表明可以可预测地调节环的宽度和强度。然后,我们创建了越来越复杂的图案,包括同心环和非各向同性图案。最后,我们通过在凝胶中组合几个形成环的模块,并从多个来源触发它们,展示了“破坏性”和“建设性”的干涉图案。我们进一步表明,基于反应-扩散模型的计算机模拟可以预测和为目标图案的编程提供信息。

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