Ученые из Японии создали настраиваемый, эластичный и чувствительный к температуре гель, используя комплементарные нити ДНК для соединения звездообразных полимерных молекул. Гель и метод, использованный для его разработки, могут привести к прогрессу в регенерации тканей, доставке лекарств и мягкой робототехнике. Сян Ли из Университета Хоккайдо возглавил группу исследователей, которые сообщили о своих выводах в журнале Polymer Science.

Ученые давно ищут лучшие способы разработки гелей, которые можно использовать в различных областях, в том числе в области медицины и техники. В идеале такие гели должны быть предсказуемыми в своем поведении, самовосстанавливающимися и достаточно прочными для суровых условий работы, для которых они предназначены.

«Гели создаются с помощью связей, связывающих молекулы полимера вместе», — объясняет Ли. «Когда связи соединяются, материал становится более твердым, а когда они разрываются в ответ на нагрузку, материал превращается в жидкость».

Благодаря своей высокой биосовместимости, растворимости в воде и чувствительности к температуре нити ДНК очень подходят для связывания молекул полимера , используя их способность образовывать комплементарные связи. Однако ученым до сих пор было трудно использовать связи ДНК для разработки однородных гелей с эластичными свойствами по требованию .

Пытаясь решить эту проблему, Ли и его коллеги использовали компьютерные программы для моделирования формирования различных последовательностей ДНК и их комплементарных цепей, а также для определения того, как эти двойные цепи реагируют на изменения температуры. Их цель состояла в том, чтобы идентифицировать комплементарные последовательности ДНК, которые будут разъединяться только при температуре выше 63 ° C, чтобы обеспечить потенциальную стабильность геля в организме человека.

Основываясь на программном моделировании, они выбрали пару комплементарных последовательностей ДНК, чтобы связать четырехцепочечные молекулы полиэтиленгликоля (ПЭГ). Они приготовили гель путем растворения нитей ДНК и ПЭГ по отдельности в буферных растворах перед их смешиванием в пробирке, погруженной в горячую водяную баню, которую затем охладили до температуры окружающей среды. Наконец, они провели серию экспериментов и анализов, чтобы оценить свойства полученного геля.

Гель работал, как и предсказывалось моделированием, оставаясь эластичным, самовосстанавливающимся и твердым до температуры плавления 63°C в течение нескольких циклов испытаний. Эксперименты также показали, что молекулы ПЭГ были гомогенно связаны друг с другом двойными цепями ДНК и что образование жидкости происходило при разделении цепей.

«Наши результаты показывают, что мы сможем производить гели ДНК с требуемыми вязкоупругими свойствами, используя уже имеющиеся данные о термодинамике и кинетике ДНК», — говорит Ли. «Цель будет заключаться в том, чтобы улучшить понимание и применение этого класса геля».