Programming gel automata shapes using DNA instructions

计算机科学 DNA 自动机 细胞自动机 程序设计语言 计算生物学 理论计算机科学 生物 遗传学 算法
作者
Ruohong Shi,Kuan-Lin Chen,Joshua Fern,Siming Deng,Yixin Liu,Dominic Scalise,Qi Huang,Noah J. Cowan,David H. Gracias,Rebecca Schulman
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-51198-9
摘要

The ability to transform matter between numerous physical states or shapes without wires or external devices is a major challenge for robotics and materials design. Organisms can transform their shapes using biomolecules carrying specific information and localize at sites where transitions occur. Here, we introduce gel automata, which likewise can transform between a large number of prescribed shapes in response to a combinatorial library of biomolecular instructions. Gel automata are centimeter-scale materials consisting of multiple micro-segments. A library of DNA activator sequences can each reversibly grow or shrink different micro-segments by polymerizing or depolymerizing within them. We develop DNA activator designs that maximize the extent of growth and shrinking, and a photolithography process for precisely fabricating gel automata with elaborate segmentation patterns. Guided by simulations of shape change and neural networks that evaluate gel automata designs, we create gel automata that reversibly transform between multiple, wholly distinct shapes: four different letters and every even or every odd numeral. The sequential and repeated metamorphosis of gel automata demonstrates how soft materials and robots can be digitally programmed and reprogrammed with information-bearing chemical signals.

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