Universel pH-reguleret samling af DNA-nanostrukturer

DNA, bæreren af ​​genetisk information, er blevet etableret som et yderst anvendeligt byggemateriale inden for nanoteknologi. Et krav i mange applikationer er den kontrollerede, omskiftelig samling af nanostrukturer. I journalen Angewandte Chemie , forskere har nu introduceret en ny strategi for kontrol ved at ændre pH-værdien. Den er baseret på ethylendiamin, som kun understøtter samlingen af ​​DNA-komponenter i et neutralt til surt miljø - uafhængigt af basesekvenserne og uden metalioner.

Et sæt korte enkeltstrenge af DNA kan strikkes til en flise, som yderligere aggregerer til et rigt udvalg af geometrier gennem selvstyrende, klæbende sammenhænge. Den såkaldte flisesamling efterligner en krystaldannende proces i naturen. Når de rigtige tråde er designet, en specifik struktur dannes gennem en selvmonteringsproces. Forskere håber at bruge denne metode i fremtiden til at organisere nanomaterialer eller lave nanorobotter, der kan udføre bittesmå indgreb i syge organer eller endda individuelle celler. Nanoelektronik og nanokatalyse er også mulige fremtidige anvendelsesområder.

De kontrollerede, omskiftelig samling af nanostrukturer sker ved hjælp af visse DNA strukturelle motiver, der ændrer deres form, når pH ændres. Imidlertid, disse strukturer er baseret på meget specifikke basesekvenser. I modsætning, en sekvensuafhængig metode ville give adgang til en universel, alsidig metode til selvsamling af DNA, betydelig udvidelse af de mulige anvendelsesområder for dynamisk DNA-nanoteknologi.

Forskere ved Hefei University of Technology; Kinas Universitet for Videnskab og Teknologi, Hefei, Kina, og Purdue University i West Lafayette, USA, start med et lille organisk molekyle, ethylendiamin, H2N—CH2—CH2—NH2. I vand, en eller begge aminogrupper (–NH2) binder reversibelt en yderligere proton (H+), afhængig af pH-værdien. De relative mængder af de tre mulige arter afhænger stærkt af pH. Ethylendiaminmolekylerne med en dobbelt positiv ladning er i stand til elektrostatisk at afskærme de negative ladninger i DNA-rygraden, så de frastøder hinanden mindre, som favoriserer selvmontering.

Holdet ledet af Yulin Li, Zhaoxiang Deng, og Chengde Mao var i stand til at bruge en ethylendiaminholdig buffer til at samle individuelle krydsformede DNA-byggesten (fliser) til en udvidet todimensionel bikagestruktur i et neutralt til surt miljø. Under let alkaliske forhold, ingen udvidede strukturer dannet. Som et eksempel på en tredimensionel struktur, forskerne lavede tetraedriske bure af byggeklodser formet som tretakkede stjerner. Ved en pH på 6,5, stjernerne blev reversibelt omdannet til tetraeder; ved en pH på 8 vendte de tilbage til stjerneformen eller individuelle tråde.

For at beskytte de negative ladninger i DNA'et, positivt ladede metalioner som Mg2+ bruges normalt. Ethylendiaminbufferen kræver ingen metalioner. Metalioner øger aktiviteten af ​​mange enzymer, især DNA-spaltende nukleaser. Dette nye system er således bedre egnet til brug i nærvær af enzymer.