Ingeniører placerer enheder i molekyleskala i præcis orientering

Ingeniører har udviklet en teknik, der giver dem mulighed for præcist at placere mikroskopiske enheder dannet af foldede DNA-molekyler på ikke kun et bestemt sted, men også i en bestemt orientering.

Som et proof-of-concept, de arrangerede mere end 3, 000 glødende måneformede nanoskala molekylære enheder til et blomsterformet instrument til indikering af lysets polarisering. Hvert af 12 kronblade pegede i en anden retning omkring midten af ​​blomsten, og inden i hvert kronblad var omkring 250 måner justeret efter kronbladets retning. Fordi hver måne kun lyser, når den rammes af polariseret lys, der matcher dens orientering, slutresultatet er en blomst, hvis kronblade lyser op i rækkefølge, efterhånden som polariseringen af ​​lys, der skinner på den, roteres. Blomsten, som spænder over en afstand, der er mindre end bredden af ​​et menneskehår, viser, at tusindvis af molekyler pålideligt kan orienteres på overfladen af ​​en chip.

Denne metode til præcist at placere og orientere DNA-baserede molekylære enheder kan gøre det muligt at bruge disse molekylære enheder til at drive nye slags chips, der integrerer molekylære biosensorer med optik og elektronik til applikationer såsom DNA-sekventering eller måling af koncentrationer af tusindvis af proteiner ved enkelt gang.

Forskningen, udgivet den 19. februar af tidsskriftet Videnskab , bygger på mere end 15 års arbejde af Caltechs Paul Rothemund (BS '94), forskningsprofessor i bioteknik, edb og matematiske videnskaber, og beregnings- og neurale systemer, og hans kolleger. I 2006 Rothemund viste, at DNA kunne ledes til at folde sig selv til præcise former gennem en teknik kaldet DNA-origami. I 2009 Rothemund og kolleger hos IBM Research Almaden beskrev en teknik, hvorved DNA-origami kunne placeres på præcise steder på overflader. For at gøre det, de brugte en printproces baseret på elektronstråler og skabte "klæbende" pletter med samme størrelse og form som origamien gjorde. I særdeleshed, de viste, at origami-trekanter bundet præcist til placeringen af ​​trekantede klæbrige pletter.

Næste, Rothemund og Ashwin Gopinath, tidligere Caltech senior postdoc og nu assisterende professor ved MIT, forfinet og udvidet denne teknik for at demonstrere, at molekylære enheder konstrueret ud fra DNA-origami kunne integreres pålideligt i større optiske enheder. "Den teknologiske barriere har været, hvordan man reproducerbart organiserer et stort antal molekylære enheder i de rigtige mønstre på den slags materialer, der bruges til chips, " siger Rothemund.

I 2016 Rothemund og Gopinath viste, at trekantede origami, der bærer fluorescerende molekyler, kunne bruges til at reproducere en 65, 000-pixel version af Vincent van Goghs The Starry Night. I det arbejde, trekantet DNA-origami blev brugt til at placere fluorescerende molekyler i bakterie-størrelse optiske resonatorer; Præcis placering af de fluorescerende molekyler var kritisk, da en bevægelse på kun 100 nanometer til venstre eller højre ville dæmpe eller gøre pixlen lysere med mere end fem gange.

Men teknikken havde en akilleshæl:"Fordi trekanterne var ligesidede og var frie til at rotere og vende på hovedet, de kunne klæbe fladt på den trekantede klæbrige plet på overfladen på en af ​​seks forskellige måder. Dette betød, at vi ikke kunne bruge nogen enheder, der krævede en bestemt orientering for at fungere. Vi sad fast med enheder, der ville fungere lige så godt, når de blev peget op, ned, eller i en hvilken som helst retning, " siger Gopinath. Molekylære enheder beregnet til DNA-sekventering eller måling af proteiner skal absolut lande med den rigtige side opad, så holdets ældre teknikker ville ødelægge 50 procent af enhederne. For enheder, der også kræver en unik rotationsorientering, såsom transistorer, kun 16 procent ville fungere.

Det første problem at løse, derefter, var at få DNA-origamien til at lande pålideligt med den rigtige side opad. "Det er lidt ligesom at garantere toast, der altid på magisk vis lander med smørsiden opad, når den smides på gulvet, " siger Rothemund. Til forskernes overraskelse, belægning af origami med et tæppe af fleksible DNA-strenge på den ene side gjorde det muligt for mere end 95 procent af dem at lande med forsiden opad. Men problemet med at kontrollere rotationen forblev. Retvinklede trekanter med tre forskellige kantlængder var forskernes første forsøg på en form, der kunne lande i den foretrukne rotation.

Imidlertid, efter brydning for at få kun 40 procent af de retvinklede trekanter til at pege i den rigtige retning, Gopinath rekrutterede computerforskere Chris Thachuk fra University of Washington, medforfatter til Science paper, og en tidligere Caltech postdoc; og David Kirkpatrick fra University of British Columbia, også medforfatter til Videnskab papir. Deres opgave var at finde en form, som kun ville sidde fast i den tilsigtede orientering, uanset hvilken retning den måtte lande i. Datalogernes løsning var en disk med et hul i midten, som forskerne kaldte en "lille måne". Matematiske beviser antydede, at i modsætning til en retvinklet trekant, små måner kunne rotere jævnt for at finde den bedste justering med deres klæbrige plaster uden at sidde fast. Laboratorieforsøg bekræftede, at over 98 procent af de små måner fandt den korrekte orientering på deres klæbrige pletter.

Holdet tilføjede derefter specielle fluorescerende molekyler, der sidder tæt fast i DNA-spiralerne på de små måner, vinkelret på helixernes akse. Dette sikrede, at de fluorescerende molekyler i en måne alle var orienteret i den samme retning og ville lyse klarest, når de blev stimuleret med lys af en bestemt polarisering. "Det er som om hvert molekyle bærer en lille antenne, som kun kan modtage energi fra lys mest effektivt, når lysets polarisering passer til antennens orientering, " siger Gopinath. Denne enkle effekt er det, der muliggjorde konstruktionen af ​​den polarisationsfølsomme blomst.

Med robuste metoder til at kontrollere op-ned og rotationsorientering af DNA-origami, en bred vifte af molekylære enheder kan nu billigt integreres i computerchips med højt udbytte til en række potentielle anvendelser. For eksempel, Rothemund og Gopinath har grundlagt et firma, Palamedrix, at kommercialisere teknologien til at bygge halvlederchips, der muliggør samtidig undersøgelse af alle de proteiner, der er relevante for menneskers sundhed. Caltech har indgivet patentansøgninger for værket.