Projektbeschreibung
Materialwissenschaften: Erkenntnisse aus der embryonalen Entwicklung
Die Morphogenese ist der biologische Prozess, der in Organismen für die Bildung komplexer Formen aus der Blastozyste verantwortlich ist. Sie ist ein mehrstufiger Vorgang, der von als Morphogene bezeichneten Biomolekülen gesteuert wird. Das EU-finanzierte Projekt DNAGAM ist von der Morphogenese inspiriert und arbeitet am weltweit ersten synthetischen biokompatiblen Werkstoff, der sich auf programmierbare und autonome Weise selbst organisieren kann. In diesem biologischen Werkstoff ist ein auf DNS-basiertes chemisches Netzwerk eingebunden, das einsträngige DNS-Morphogene auf einzigartige und dennoch räumlich vorhersagbare Weise generieren kann. Die DNS-Morphogene weisen Kinesin-Motorproteine und Mikrotubuli an, morphologische Strukturen innerhalb von Hydrogelen zu bilden. Die Ergebnisse des Projekts werden nicht nur unschätzbare Einblicke darin verschaffen, wie morphogene Muster die Selbstorganisation von Materialien steuern, sondern auch die materialwissenschaftlichen Einsatzgebiete in der weichen Robotik und in biologischen Umgebungen ausweiten.
Ziel
Programming the autonomous and multiscale structuring of shapeless synthetic soft matter is unknown and conceptually challenging. In stark contrast, a living embryo is highly ordered at all levels – from cells to the entire organism. The ordering is a multistep process, starting from the patterning of biomolecules (morphogens) which later instruct autonomous shape transformations (morphogenesis). Inspired by these natural physicochemical processes, we aim at the preparation of a first-ever synthetic biocompatible material which can be self-organized in a programmable and autonomous manner. The programming will be achieved by an out-of-equilibrium DNA-based chemical network which predictably generates single-stranded DNA morphogens. Combined with diffusion, the concentrations of the morphogen can be patterned with a unique spatiotemporal precision, including travelling waves and stable fronts, which were pioneered by the host group. The autonomy of morphological structuring will be accomplished by linking the mechanical activity of active gels, composed of DNA-kinesins and microtubules, to the presence of the DNA morphogen. Latter will act as a cross-linker creating the clusters of kinesins and thus guiding the self-organization of the soft material by the collective action of nanoscale kinesin motor proteins which exert force on microtubules. Apart from the preparation of a first biocompatible man-made morphogenetic material, we will learn how the self-organization of active gels is dependent on morphogens’ patterns. This knowledge is indispensable for the advanced programming of the precise macroscale shapes at the molecular level of chemical networks, which are diverse and modular. With further developments, our methodology could lead to so far elusive self-fabricated, force-exerting synthetic soft matter with the potential of integration in soft robotics and biological environments.
Wissenschaftliches Gebiet
- natural sciencesbiological sciencesgeneticsDNA
- natural sciencesphysical sciencescondensed matter physicssoft matter physics
- natural sciencesbiological sciencesbiochemistrybiomoleculesproteins
- engineering and technologyelectrical engineering, electronic engineering, information engineeringelectronic engineeringroboticssoft robotics
- medical and health sciencesclinical medicineembryology
Programm/Programme
Thema/Themen
Aufforderung zur Vorschlagseinreichung
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MSCA-IF-EF-CAR - CAR – Career Restart panelKoordinator
CB2 1TN Cambridge
Vereinigtes Königreich