Nye DNA -nanoformer tager form

nogle ikke større end vira - er konstrueret gennem en revolutionerende teknik kendt som DNA origami. Nu, Hao Yan, Yan Liu og deres kolleger ved Arizona State University's Biodesign Institute har udvidet denne metodes evne til at konstruere vilkårlige, to og tredimensionelle former, efterligner dem, der normalt findes i naturen.

Sådanne formformer kan i sidste ende finde vej til en lang række enheder, fra ultra-bittesmå computerkomponenter til nanomedicinske vagter, der bruges til at målrette og ødelægge afvigende celler eller levere terapeutiske midler på cellulært eller endda molekylært niveau.

I dagens nummer af Science, Yan -gruppen beskriver en tilgang, der udnytter (og udvider) det arkitektoniske potentiale i DNA. Den nye metode er et vigtigt skridt i retning af at opbygge nanoskala strukturer med kompleks krumning - en bedrift, der har undgået konventionelle DNA origami -metoder. "Vi er interesserede i at udvikle en strategi til gengivelse af naturens komplekse former, "sagde Yan.

Teknikken med DNA origami blev introduceret i 2006 af computerforsker Paul W.K. Rothemund af Caltech. Det bygger på de selvsamlende egenskaber ved DNA's fire komplementære basepar, som fastgør strengene i molekylets berømte dobbelt-helix. Når disse nukleotider, mærket A, T, C, og G, interagere, de forbinder hinanden efter en simpel formel - A parrer altid med T og
C med G.

Nanodesignere som Yan behandler DNA -molekylet som et alsidigt byggemateriale - et, de håber at låne fra naturen og tilpasse til nye formål. I traditionel DNA -origami, en todimensionel form bliver først konceptualiseret og tegnet. Denne polygonale kontur udfyldes derefter ved hjælp af korte segmenter af dobbeltstrenget DNA, arrangeret parallelt. Disse segmenter kan sammenlignes med pixels - digitale elementer, der bruges til at oprette ord og billeder, der vises på en computerskærm.

Ja, Rothemund og andre var i stand til at bruge pixellignende segmenter af DNA til at sammensætte en række elegante 2-dimensionelle former, (stjerner, rhomboids, snefnug former, smiley ansigter, enkle ord og endda kort), samt nogle rudimentære 3-dimensionelle strukturer. Hver af disse er afhængige af de enkle regler for selvmontering, der styrer nukleotidbaseparring.

Når den ønskede form er blevet indrammet af en længde af enkeltstrenget DNA, korte DNA "hæfteklammer" integrerer strukturen og fungerer som limen for at holde den ønskede form sammen. Nukleotidsekvensen af ​​stilladsstrengen er sammensat på en sådan måde, at den løber gennem hver helix i designet, som en serpentintråd, der strikker et patchwork af stof sammen. Yderligere forstærkning leveres af hæfteklammerne, som også er præ-designet til at fastgøre til ønskede områder af den færdige struktur, gennem baseparring.

"At lave buede objekter kræver, at man bevæger sig ud over tilnærmelsen af ​​krumning med rektangulære pixels. Folk i feltet er interesserede i dette problem. F.eks. William Shihs gruppe ved Harvard Medical School har for nylig brugt målrettet indsættelse og sletning af basepar i udvalgte segmenter inden for en 3D -byggesten til at fremkalde den ønskede krumning. Alligevel, det er fortsat en skræmmende opgave at konstruere subtile krumninger på en 3D -overflade, "sagde Yan.

"Vores mål er at udvikle designprincipper, der gør det muligt for forskere at modellere vilkårlige 3D -former med kontrol over overfladens krumning. I en flugt fra en stiv gittermodel, vores alsidige strategi begynder med at definere de ønskede overfladeegenskaber ved et målobjekt med stilladset, efterfulgt af manipulation af DNA -konformation og udformning af crossover -netværk for at opnå designet, "Sagde Liu.

For at opnå denne idé, Yans kandidatstuderende Dongran Han begyndte med at lave enkle 2-dimensionelle koncentriske ringstrukturer, hver ring dannet af en DNA -dobbeltspiral. De koncentriske ringe er bundet sammen ved hjælp af strategisk placerede delefilter. Dette er områder, hvor en af ​​strengene i en given dobbelt helix skifter til en tilstødende ring, bygge bro mellem koncentriske spiraler. Sådanne crossovers hjælper med at opretholde strukturen af ​​koncentriske ringe, forhindrer DNA i at strække sig.

Ved at variere antallet af nukleotider mellem crossover -punkter og placeringen af ​​crossovers kan designeren kombinere skarpe og afrundede elementer i en enkelt 2D -form, som det kan ses i figur 1 a &b, (med ledsagende billeder frembragt ved atomkraftmikroskopi, afslører de faktiske strukturer, der dannede sig ved selvsamling). En række sådanne 2D -designs, herunder en åbnet 9-lags ring og en trekantet stjerne, blev produceret.

Netværket af crossover-punkter kan også udformes på en sådan måde, at der dannes kombinationer af in-plane og out-of-plane krumning, muliggør design af buede 3D -nanostrukturer. Selvom denne metode viser betydelig alsidighed, krumningsområdet er stadig begrænset for standard B -form -DNA, som ikke vil tolerere store afvigelser fra sin foretrukne konfiguration - 10,5 basepar/tur. Imidlertid, som Jeanette Nangreave, forklarer en af ​​papirets medforfattere, "Hao erkendte, at hvis du kunne lidt for vride eller under vride disse spiraler, du kunne producere forskellige bøjningsvinkler. "

Kombinerer metoden til koncentriske spiraler med sådan ikke-B-form DNA (med 9-12 basepar/tur), gjorde gruppen i stand til at producere sofistikerede former, herunder kugler, halvkugler, ellipsoide skaller og endelig-som en tour de force af nanodesign-en rundbundet nanoflaske, som forekommer umiskendeligt i en række opsigtsvækkende transmissionselektronmikroskopibilleder (se figur 1, c-f)

"Dette er et godt eksempel på teamwork, hvor hvert medlem bringer deres unikke færdigheder til projektet for at få tingene til at ske." De andre forfattere omfatter Suchetan Pal og Zhengtao Deng, der også leverede betydelige bidrag til billeddannelse af strukturerne.

Yan håber på yderligere at udvide sortimentet af nanoformer via den nye teknik. Til sidst, dette vil kræve længere længder af enkeltstrenget DNA, der kan levere nødvendige stilladser til større, mere udførlige strukturer. Han krediterer sin strålende studerende (og papirets første forfatter) Dongran Han med en bemærkelsesværdig evne til at konceptualisere 2- og 3D-nanoformer og til at navigere i de ofte forvirrende detaljer i deres design. I sidste ende dog mere sofistikerede nanoarchitectures vil kræve computerstøttede designprogrammer-et område, teamet aktivt forfølger.

Den vellykkede konstruktion af lukkede, 3D -nanoformer som kuglen har åbnet døren for mange spændende muligheder for teknologien, især inden for det biomedicinske område. Nanosfærer kan f.eks. Indføres i levende celler, frigive deres indhold under påvirkning af endonukleaser eller andre fordøjelseskomponenter. En anden strategi kan bruge sfærer som nanoreaktorer - steder, hvor kemikalier eller funktionelle grupper kan bringes sammen for at fremskynde reaktioner eller udføre andre kemiske manipulationer.