[发明专利]用于生成具有人工代谢的动态材料的系统和方法

说明书

本公开涉及具有有序结构和人工代谢的动态材料的生成。本文所公开的方法允许通过同时结合不可逆合成(和任选地分解)和耗散组装过程，但以人工方式进行自主且动态生成具有结构层次的材料。作为示例性实施方式，已生成基于DNA的层次组装和合成(或“DASH”)材料。公开了用于生成所述材料的系统、装置、试剂和方法，以及本发明方法的额外应用。

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年4月5日提交的美国临时申请第62/829,702号的优先权益，其全部内容以引用的方式并入本文中。

关于联邦资助的研究或开发的声明

本发明是在以美国国家科学基金会(National Science Foundation，NSF)授予的批准号EFRI-1331583和SNM-1530522的政府支持下进行的。政府享有本发明的某些权利。

以引用的方式并入序列表

ASCII文本文件形式的序列表名为37255PCT_7787_02_PC_SequenceListing.txt，大小为6KB，创建于2020年3月30日且通过EFS-Web提交给美国专利商标局(United StatesPatent and Trademark Office)，以引用的方式并入本文中。

背景技术

生命的特征特性，如生物体的动态自我生成，通过代谢维持。使用物质和能量通量，通过一系列生物反应从成分不可逆合成分子且随后将其进一步动态组装成大分子以及其它物质，产生生命材料的结构层次。尽管已报道通过生物工程来工程化动态材料各种方法，但尚未实现通过从头开始模拟代谢来构建材料。举例来说，工程化的活材料允许通过生命进行材料生成，但报道的方法依赖于外部活系统，如细胞来生成材料。类似地，其它动态生物材料，如活性细胞骨架，直接使用由生命设计的现有代谢。一般来说，尽管生物工程方法具有产生具有复杂活动行为的新颖动态生物材料的潜力，但当前方法构建在生命的现有代谢上且因此从根本上受其限制。各种化学方法，尤其耗散自组装，已允许使用化学反应从头开始构建动态材料。

发明内容

本公开涉及用于生成具有有序结构和人工代谢的动态材料的系统和方法。类似于自然界中发现的代谢，本文所公开的方法允许通过同时结合不可逆合成(和任选地分解)和耗散组装过程，但以人工方式进行自主且动态生成具有结构层次的材料。归因于合成与组装组合的自下而上设计，人工代谢使用分子和反应，例如生物分子和生物反应进行工程化，但不受生命自身限制的束缚。

为了说明本发明系统和方法，并且作为示例性实施方式，已使用中尺度方法以使用人工代谢从生物分子构建块产生动态材料，生成基于DNA的层次组装和合成(DNA-basedAssembly and Synthesis of Hierarchical，或“DASH”)材料(图1A)。类似于活生物体中的材料，由DASH生成的材料可通过合成代谢合成且组装成预编码图案。此外，通过整合合成代谢(生成)与分解代谢(退化)，生成的材料可响应于内置时空反馈通过以有序方式组合生成和退化两者自主退化，并且原位循环再生。已生成具有多种图案的DASH材料。另外，已生成显示类似于滑动模的突现“运动”行为的DASH材料。此外，还已生成具有显示突现竞速行为的两个运动主体的DASH材料。本文所公开的动态材料可用作支架以便进一步官能化以形成混杂材料。在材料为DASH材料的实施方式中，材料可充当在无细胞环境(如无细胞蛋白质表达)中提供DNA功能的平台。此外，本文所公开的用于生成动态材料的本发明的系统和方法可应用于病原体检测。