超軟質DNA/ドーパミングラフト化デキストランヒドロゲルを用いた微生物代謝プロセスによる電気回路用ダイナミックワイヤーの開発

Super-Soft DNA/Dopamine-Grafted-Dextran Hydrogel as Dynamic Wire for Electric Circuits Switched by a Microbial Metabolism Process.

• Jinpeng Han
• Yuchen Cui
• Xinpeng Han
• Chenyu Liang
• Wenguang Liu
• Dan Luo
• Dayong Yang

抄録

生物学的プロセスに応答する動的なシステムや材料を工学的に構築することは、合成生物学の主要な課題の一つであり、ロボット工学やスマート医療などの幅広い応用が期待されています。本研究では、極性の異なる溶媒に対して超高速で高感度な体積応答性を示し、微生物の代謝に応答して電気回路を形成することが可能な、超ソフトでダイナミックなDNA/ドーパミングラフトデキストランヒドロゲルを報告する。このハイドロゲルには、相乗的な永久二重ネットワークと動的二重ネットワークが集積されている。本研究では、このハイドロゲルを用いたダイナミックな電気回路を連続的に作製した。1)水をスイッチとして用いた電気回路、2)水と石油エーテルをスイッチペアとして用いた電気回路、3)自己修復型電気回路、4)エタノールをトリガーとした電気回路を生成する微生物代謝プロセスに成功した。本研究は、ダイナミックな材料、特にDNAベースのバイオマテリアルの構築に新たな戦略を提供するものであり、ソフトロボティクスやインテリジェントシステムなどへの応用が期待されます。

Engineering dynamic systems or materials to respond to biological process is one of the major tasks in synthetic biology and will enable wide promising applications, such as robotics and smart medicine. Herein, a super-soft and dynamic DNA/dopamine-grafted-dextran hydrogel, which shows super-fast volume-responsiveness with high sensitivity upon solvents with different polarities and enables creation of electric circuits in response to microbial metabolism is reported. Synergic permanent and dynamic double networks are integrated in this hydrogel. A serials of dynamic hydrogel-based electric circuits are fabricated: 1) triggered by using water as switch, 2) triggered by using water and petroleum ether as switch pair, 3) a self-healing electric circuit; 4) remarkably, a microbial metabolism process which produces ethanol triggering electric circuit is achieved successfully. It is envisioned that the work provides a new strategy for the construction of dynamic materials, particularly DNA-based biomaterials; and the electric circuits will be highly promising in applications, such as soft robotics and intelligent systems.

© 2020 The Authors. Published by WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.