Forskere maler verdens mindste Mona Lisa på verdens største DNA-lærred

I 2006 Caltechs Paul Rothemund (BS '94) - nu forskningsprofessor i bioteknik, edb og matematiske videnskaber, og beregnings- og neurale systemer – udviklede en metode til at folde en lang DNA-streng til en foreskrevet form. Teknikken, døbt DNA origami, gjorde det muligt for videnskabsmænd at skabe selvsamlende DNA-strukturer, der kunne bære et hvilket som helst specificeret mønster, såsom et 100 nanometer bredt smiley ansigt.

DNA origami revolutionerede området for nanoteknologi, åbner op for muligheder for at bygge små molekylære enheder eller "smarte" programmerbare materialer. Imidlertid, nogle af disse applikationer kræver meget større DNA-origami-strukturer.

Nu, forskere i laboratoriet i Lulu Qian, assisterende professor i bioteknik ved Caltech, har udviklet en billig metode, hvorved DNA-origami selv samles i store arrays med helt tilpasselige mønstre, skabe et slags lærred, der kan vise ethvert billede. For at demonstrere dette, holdet skabte verdens mindste genskabelse af Leonardo da Vincis Mona Lisa – ud fra DNA.

Arbejdet er beskrevet i et papir, der vises i tidsskriftets 7. december-udgave Natur .

Mens DNA måske er bedst kendt for at kode levende tings genetiske information, molekylet er også en fremragende kemisk byggesten. Et enkeltstrenget DNA-molekyle er sammensat af mindre molekyler kaldet nukleotider - forkortet A, T, C, og G - arrangeret i en streng, eller sekvens. Nukleotiderne i et enkeltstrenget DNA-molekyle kan binde sig til dem i en anden enkeltstreng for at danne dobbeltstrenget DNA, men nukleotiderne binder kun på meget specifikke måder:et A-nukleotid med et T eller et C-nukleotid med et G. Disse strenge baseparrings-"regler" gør det muligt at designe DNA-origami.

For at lave en enkelt firkant af DNA-origami, man har bare brug for en lang enkelt streng DNA og mange kortere enkeltstrenge - kaldet hæfteklammer - designet til at binde til flere udpegede steder på den lange streng. Når de korte hæfteklammer og den lange streng kombineres i et reagensglas, hæfteklammerne trækker områder af den lange streng sammen, får den til at folde over sig selv til den ønskede form. Et stort DNA-lærred er samlet af mange mindre firkantede origami-fliser, som at lægge et puslespil. Molekyler kan selektivt fastgøres til hæfteklammerne for at skabe et hævet mønster, der kan ses ved hjælp af atomkraftmikroskopi.

Caltech-teamet udviklede software, der kan tage et billede som Mona Lisa, del det op i små firkantede sektioner, og bestemme de DNA-sekvenser, der er nødvendige for at udgøre disse firkanter. Næste, deres udfordring var at få disse sektioner til at samle sig selv til en overbygning, der genskaber Mona Lisa.

"Vi kunne lave hver flise med unikke kanthæfteklammer, så de kun kunne binde til visse andre fliser og selv samle til en unik position i overbygningen, " forklarer Grigory Tikhomirov, senior postdoc og papirets hovedforfatter, "men så skulle vi have hundredvis af unikke kanter, som ikke kun ville være meget vanskeligt at designe, men også ekstremt dyrt at syntetisere. Vi ønskede kun at bruge et lille antal forskellige kanthæfteklammer, men stadig få alle fliserne på de rigtige steder."

Nøglen til at gøre dette var at samle fliserne i etaper, som at samle små områder af et puslespil og derefter samle dem for at lave større områder, før du til sidst sætter de større områder sammen for at lave det færdige puslespil. Hvert minipuslespil bruger de samme fire kanter, men fordi disse puslespil er samlet separat, der er ingen risiko, for eksempel, af en hjørneflise fastgjort i det forkerte hjørne. Holdet har kaldt metoden "fractal assembly", fordi det samme sæt samlingsregler anvendes i forskellige skalaer.

"Når vi har syntetiseret hver enkelt flise, vi placerer hver enkelt i sit eget reagensglas til i alt 64 rør, siger Philip Petersen, en kandidatstuderende og medforfatter på papiret. "Vi ved præcis, hvilke fliser der er i hvilke rør, så vi ved, hvordan vi kombinerer dem for at samle det endelige produkt. Først, vi kombinerer indholdet af fire bestemte rør sammen, indtil vi får 16 to-og-to-firkanter. Derefter kombineres disse på en bestemt måde for at få fire rør hver med en firkantet fire gange fire. Og så kombineres de sidste fire rør for at skabe et stort, otte gange otte kvadrat sammensat af 64 fliser. Vi designer kanterne på hver flise, så vi ved præcis, hvordan de vil kombineres."

Qian-holdets endelige struktur var 64 gange større end den originale DNA-origami-struktur designet af Rothemund i 2006. Bemærkelsesværdigt, takket være genbrug af de samme kantinteraktioner, antallet af forskellige DNA-strenge, der kræves til samlingen af ​​denne DNA-overbygning, var omtrent det samme som for Rothemunds originale origami. Dette skulle gøre den nye metode tilsvarende overkommelig, ifølge Qian.

"Den hierarkiske karakter af vores tilgang tillader kun at bruge et lille og konstant sæt unikke byggeklodser, i dette tilfælde DNA-strenge med unikke sekvenser, at bygge strukturer med stigende størrelse og, i princippet, et ubegrænset antal forskellige malerier, " siger Tikhomirov. "Denne økonomiske tilgang til at bygge mere med mindre svarer til, hvordan vores kroppe er bygget. Alle vores celler har det samme genom og er bygget ved hjælp af det samme sæt byggesten, såsom aminosyrer, kulhydrater, og lipider. Imidlertid, via varierende genekspression, hver celle bruger de samme byggeklodser til at bygge forskellige maskiner, for eksempel, muskelceller og celler i nethinden."

Holdet skabte også software, der gør det muligt for forskere overalt at skabe DNA-nanostrukturer ved hjælp af fraktal samling.

"For at gøre vores teknik let tilgængelig for andre forskere, der er interesserede i at udforske applikationer ved hjælp af flade DNA-nanostrukturer i mikrometerskala, vi udviklede et online softwareværktøj, der konverterer brugerens ønskede billede til DNA-strenge og wet-lab-protokoller, " siger Qian. "Protokollen kan læses direkte af en væskehåndteringsrobot for automatisk at blande DNA-strengene sammen. DNA-nanostrukturen kan samles ubesværet."

Ved at bruge dette online softwareværktøj og automatiske væskehåndteringsteknikker, flere andre mønstre blev designet og samlet ud fra DNA-strenge, herunder et portræt af en bakterie i naturlig størrelse og et portræt af en hane i bakteriestørrelse.

"Andre forskere har tidligere arbejdet på at vedhæfte forskellige molekyler såsom polymerer, proteiner, og nanopartikler til meget mindre DNA-lærreder med det formål at bygge elektroniske kredsløb med bittesmå funktioner, fremstilling af avancerede materialer, eller studere interaktioner mellem kemikalier eller biomolekyler, ", siger Petersen. "Vores arbejde giver dem et endnu større lærred at trække på."