Nanocages i laboratoriet og i computeren:hvordan DNA-baserede dendrimerer transporterer nanopartikler

Hvordan man laver nanocages, dvs. robuste og stabile objekter med regelmæssige tomrum og afstembare egenskaber? Korte segmenter af DNA-molekyler er perfekte kandidater til det kontrollerbare design af nye komplekse strukturer. Fysikere fra universitetet i Wien, det tekniske universitet i Wien, Jülich Research Center i Tyskland og Cornell University i U.S.A., undersøgt metoder til at syntetisere DNA-baserede dendrimerer i laboratoriet og til at forudsige deres adfærd ved hjælp af detaljerede computersimuleringer. Deres resultater er offentliggjort i Nanoskala .

Nanocages er meget interessante molekylære konstruktioner, ud fra et synspunkt af både grundlæggende videnskab og mulige anvendelser. Hulrummene i disse nanometer-store objekter kan bruges som bærere af mindre molekyler, som er af afgørende betydning i medicin for lægemiddel- eller genlevering i levende organismer. Denne idé samlede forskere fra forskellige tværfaglige felter, der har undersøgt dendrimerer som lovende kandidater til at skabe sådanne nano-bærere. Deres trælignende arkitektur og trinvise vækst med gentagne selv-lignende enheder  resulterer i  dendrimerer, der indeholder hulrum, hule genstande med kontrollerbart design. Alligevel, årtiers forskning har vist, at et stort antal forskellige dendrimertyper oplever tilbagefoldning af ydre grene med voksende dendrimergenerationer, giver anledning til en højere tæthed af bestanddele i molekylets indre. Effekten af ​​tilbagefoldning forstærkes ved tilsætning af salt i opløsningen, hvorved fleksible dendrimerer undergår betydelig krympning, bliver kompakte genstande uden hulrum i deres indre.

Teamet af samarbejdspartnere bestod af Nataša Adžić og Christos Likos (University of Wien), Clemens Jochum og Gerhard Kahl (TU Wien), Emmanuel Stiakakis (Jülich) samt Thomas Derrien og Dan Luo (Cornell). Forskerne fandt en måde at skabe dendrimerer, der er stive nok til at forhindre tilbagefoldning af ydre arme, selv i tilfælde af høje forgrenede generationer, bevare regelmæssige hulrum i deres indre. I øvrigt, deres nye makromolekyler er kendetegnet ved bemærkelsesværdig resistens over for tilsat salt:de viste, at morfologien og konformationsegenskaberne af disse systemer forbliver upåvirkede, selv ved tilsætning af salt, selv ved høj koncentration. Nanocages de skabte, i laboratoriet og studeret beregningsmæssigt er DNA-baserede dendrimerer, eller såkaldte, dendrimer-lignende DNA'er (DL-DNA). Byggestenen de er sammensat af er en Y-formet dobbeltstrenget DNA-enhed, en trearmet struktur bestående af dobbeltstrenget DNA (ds-DNA), dannet via hybridisering af tre enkeltstrengede DNA-kæder (ss-DNA), som hver har delvist komplementære sekvenser til de to andre. Hver arm består af 13 basepar og en enkeltstrenget klæbrig ende med fire nukleobaser, der fungerer som en lim. Mens et enkelt Y-DNA svarer til den første dendrimergeneration, bindingen af ​​yderligere Y-DNA-elementer giver DL-DNA af højere generationer. Den resulterende dendrimer er en ladet og hulholdig makromolekylær samling med trælignende arkitektur. På grund af stivheden af ​​dsDNA, grenene af DL-DNA er stive, så hele molekylet er stift. Da DNA er ladet, den elektrostatiske frastødning øger molekylets stivhed.

DL-DNA molecules have been assembled in the laboratory by the Jülich and Cornell partners with remarkable control and sub-nanometer precision through programmable sticky-end cohesions. Their step-wise growth is highly controllable, unidirectional and non-reversible. This property is of high importance, as it has been shown that DNA-based dendrimers have been envisioned to play a promising role in developing nanoscale-barcodes, DNA-based vaccine technologies, as well as a structural probes involving multiplexed molecular sensing processes. Sizes, shapes as well as additional conformational details invisible to the experimentalists, such as the size of voids and the degree of branches back-folding, have been analyzed by computer simulations in Vienna. To describe the complex structure of DNA units, the group used a simple monomer-resolved model with interactions carefully chosen to mimic the equilibrium properties of DNA in physiological solution. The excellent agreement obtained between experiments and simulations for the dendrimer characteristics validates the theoretical models employed and paves the way for further investigation of the nanocages' properties and their applications as functional and smart nanocarriers and as building blocks for  engineering biocompatible artificial materials.