DNA-origami overskrider vigtige tærskler

Ved at bruge en teknik kendt som DNA-origami, biofysiker Hendrik Dietz har bygget objekter i nanometerskala i flere år på det tekniske universitet i München (TUM). Nu, Dietz og hans team er ikke kun brudt ud af nanometerområdet for at bygge større objekter, men har også skåret produktionsomkostningerne tusinde gange. Disse innovationer åbner en helt ny grænse for teknologien.

Vira indkapsler deres genetiske materiale i en skal, der består af en række identiske proteinbyggesten. hepatitis B virus kapslen, for eksempel, omfatter 180 identiske underenheder, et typisk tilfælde af "præfabrikeret" konstruktion, der ofte indsættes i naturen.

Holdet ledet af Hendrik Dietz, Professor i biomolekylær nanoteknologi ved TU München har nu overført virale konstruktionsprincipper til DNA-origami-teknologi. Dette giver dem mulighed for at designe og bygge strukturer på skalaen af ​​vira og celleorganeller.

Teknologien bygger på en lang enkeltstreng, der er knyttet til en dobbeltstrenget struktur ved hjælp af korte hæftesekvenser. "Den dobbeltstrengede struktur er energimæssigt tilstrækkelig stabil, så vi kan tvinge enkeltstrengen til næsten enhver form ved hjælp af passende udvalgte modstykker, " forklarer Hendrik Dietz. "På denne måde kan vi præcist designe objekter i computeren, der kun er nogle få nanometer store."

Gear til nanomotorer

Dietz-laboratoriet befaler teknikker, der giver dem mulighed for yderligere at modificere og indsætte kemiske funktionaliteter i objekter ved at tilføje sidegrupper. Men, indtil nu, størrelsen af ​​objekterne forblev i nanometerriget. I det videnskabelige tidsskrift Natur , teamet beskriver nu, hvordan større konstruktioner kan bygges ved hjælp af præfabrikerede dele.

Til denne ende, de skabte først V-formede nanoobjekter. Disse har formkomplementære bindingssteder på deres sider, giver dem mulighed for selvstændigt at knytte sig til hinanden, mens de flyder i en løsning. Afhængig af åbningsvinklen, de danner "gear" med kontrolleret antal eger.

"Vi var begejstrede for at observere, at næsten uden undtagelse, ringe dannet som defineret af åbningsvinklen, "siger Hendrik Dietz." Afgørende for evnen til at bygge objekter af denne størrelse og kompleksitet er præcisionen og stivheden i de enkelte byggesten. Vi skulle forstærke individuelle elementer med tværstænger, for eksempel."

Konstruktion af mikrorør

For yderligere at udnytte konstruktionsprincippet, holdet skabte nye byggeklodser, der havde "limsamlinger" ikke kun på siderne, men også lidt svagere på top og bund. Dette gør det muligt for "nano-gearene" at danne lange rør ved hjælp af de ekstra dockingsteder i et andet trin.

"Ved længder på en mikrometer og en diameter på flere hundrede nanometer, disse rør har nået størrelsen af ​​nogle bakterier, "forklarer Hendrik Dietz." Og vi kan bruge arkitekturen af ​​individuelle elementer til at bestemme træk ved den overordnede struktur. "

Opbygning af polyedriske strukturer

Inspireret af symmetrierne og det hierarkiske design af vira, forskerne forsøgte også at bygge lukkede burstrukturer. "En potentiel fremtidig anvendelse af kunstige bure er transport af medicin i kroppen, " forklarer Hendrik Dietz. "Her, målet er kun at frigive aktive midler på specifikke ønskede steder, skåner resten af ​​kroppen."

Ved at bruge de principper, der allerede er anvendt på de strukturer, der er beskrevet før, holdet konstruerede nu nye elementer, som de håbede ville samles på en selvbegrænsende måde til burstrukturer under de rigtige forhold. Ifølge disse strategier giver et trekantet midtersektion og tre V-formede elementer anledning til et tre-benet byggeelement.

Afhængigt af V'ens åbningsvinkel, et defineret antal af disse enheder smelter sammen til dannelse af tetraeder, hexaedriske eller dodekaedriske strukturer i et andet trin. De endelige strukturer integrerer op til 1,8 millioner adresserbare DNA-basepar i brugerdefinerede positioner. For første gang, disse bure i diskret størrelse opnår molekylvægte og størrelser, der kan sammenlignes med vira og småcelleorganeller.

Omkostningseffektiv masseproduktion

Til dato, fremstillingsprocesser har begrænset anvendelsesområdet til dem, der kun kræver små mængder materiale. Det faktum, at der kun kan fremstilles få mikrogram med konventionelle metoder, udelukker mange potentielle medicinske og materialevidenskabelige anvendelser.

Flaskehalsen er de korte korte tråde, der skal fremstilles kemisk base for base. Hovedstrengen opnået fra bakteriofager, på den anden side, kan produceres i stor skala ved hjælp af bioteknologiske processer.

Derfor raffinerede teamet under ledelse af Hendrik Dietz såkaldte DNA-enzymer, en opdagelse, der stammer fra syntetisk bioteknologi. Disse er DNA-strenge, der går i stykker på bestemte positioner, når de udsættes for en høj koncentration af zinkioner.

De forenede de korte hæftesekvenser til en lang streng ved hjælp af to modificerede DNA-enzymer hver. "Når den er præcist samlet med en bestemt basesekvens, disse kombinerede strenge kan reproduceres i en bioteknologisk proces, som med enkeltstrenge af bakteriofag-DNA, " siger Dietz, forklaring af processens nøglefunktion.

Bioteknologisk produktion i stor skala

Både hovedstrengen og den sekundære streng, omfattende DNA-enzymer og stabelsekvenserne, blev med succes produceret ved hjælp af en høj celletæthedsproces med bakterier. Processen er skalerbar og dermed modtagelig for produktion i store mængder af de vigtigste tråde og hæfteklammer. Forøgelse af zinkionkoncentrationen efter DNA-isolering frigiver de korte hæftesekvenser, som derefter folder hovedstrengen til den ønskede form.

Omfattende undersøgelser af reaktionsmekanismerne i samarbejde med kolleger ved Institute of Biochemical Engineering viste, at dette er muligt selv i stor skala. På TUM Forskningscenter for Industriel Bioteknologi i Garching, forskere har nu produceret flere gram af fire forskellige DNA origami -objekter. Opskalering af processen til en kubikmeter skala er nu inden for rækkevidde.

"Sammenspillet mellem bioteknologi og procesteknologi har således gjort det muligt at sætte en virkelig fundamental milepæl på vejen til fremtidige anvendelser inden for DNA-nanoteknologi, " siger professor Dirk Weuster-Botz, Formand for Institut for Biokemisk Teknik.