Origami:Ikke kun til papir længere

Mens den primære opgave for DNA i celler er at transportere genetisk information fra en generation til den næste, nogle videnskabsmænd ser også det meget stabile og programmerbare molekyle som et ideelt byggemateriale til strukturer i nanoskala, der kan bruges til at levere lægemidler, fungere som biosensorer, udføre kunstig fotosyntese med mere.

At forsøge at bygge DNA-strukturer i stor skala blev engang anset for utænkeligt. Men for omkring fem år siden, Caltechs beregningsbioingeniør Paul Rothemund lagde en ny designstrategi kaldet DNA-origami:konstruktionen af ​​todimensionelle former fra en DNA-streng foldet over sig selv og sikret med korte "hæfte"-strenge. Flere år senere, William Shihs laboratorium på Harvard Medical School oversatte dette koncept til tre dimensioner, tillader design af komplekse buede og bøjede strukturer, der åbnede nye veje for syntetisk biologisk design på nanoskala.

En stor hindring for disse stadig mere komplekse designs har været automatisering af designprocessen. Nu et team på MIT, ledet af den biologiske ingeniør Mark Bathe, har udviklet software, der gør det nemmere at forudsige den tredimensionelle form, der vil følge af en given DNA-skabelon. Selvom softwaren ikke fuldt ud automatiserer designprocessen, det gør det betydeligt lettere for designere at skabe komplekse 3D-strukturer, kontrollerer deres fleksibilitet og potentielt deres foldestabilitet.

"I sidste ende søger vi et designværktøj, hvor du kan starte med et billede af den komplekse tredimensionelle form af interesse, og algoritmen søger efter optimale sekvenskombinationer, " siger Bathe, den Samuel A. Goldblith adjunkt i anvendt biologi. "For at gøre denne teknologi til nanomontering tilgængelig for det bredere samfund - herunder biologer, kemikere, og materialeforskere uden ekspertise i DNA-origami-teknikken - beregningsværktøjet skal være fuldt automatiseret, med et minimum af menneskelig input eller indgriben.”

Bathe og hans kolleger beskrev deres nye software i udgaven af ​​25. februar af Naturens metoder . I det blad, de giver også en primer om at skabe DNA-origami med samarbejdspartner Hendrik Dietz ved Technische Universitaet Muenchen. "En flaskehals for at gøre teknologien mere bredt anvendelig er, at kun en lille gruppe specialiserede forskere er uddannet i stilladseret DNA-origami-design, " siger Bade.

Programmering af DNA

DNA består af en streng af fire nukleotidbaser kendt som A, T, G og C, som gør molekylet nemt at programmere. Efter naturens regler, A binder kun med T, og G kun med C. "Med DNA, i den lille skala, du kan programmere disse sekvenser til selv at samle og folde til en meget specifik endelig struktur, med separate tråde bragt sammen for at lave objekter i større skala, " siger Bade.

Rothemunds origami-designstrategi er baseret på ideen om at få en lang DNA-streng til at folde i to dimensioner, som om den var lagt på en flad overflade. I sit første papir, der skitserer metoden, han brugte et viralt genom bestående af cirka 8, 000 nukleotider til at skabe 2-D stjerner, trekanter og smiley ansigter.

Den enkelte DNA-streng tjener som et "stillads" for resten af ​​strukturen. Hundredvis af kortere tråde, hver omkring 20 til 40 baser i længden, kombinere med stilladset for at holde det i sin endelige, foldet form.

"DNA er på mange måder bedre egnet til selvsamling end proteiner, hvis fysiske egenskaber både er svære at kontrollere og følsomme over for deres omgivelser, " siger Bade.

Bathes nye softwareprogram har grænseflader med et softwareprogram fra Shihs laboratorium kaldet caDNAno, som giver brugerne mulighed for manuelt at skabe stilladseret DNA-origami fra et todimensionelt layout. Det nye program, døbt CanDo, tager caDNAnos 2-D-plan og forudsiger den ultimative 3-D-form af designet. Denne resulterende form er ofte uintuitiv, Bade siger, fordi DNA er et fleksibelt objekt, der vrider sig, bøjer og strækker sig, når den foldes for at danne en kompleks 3D-form.

Ifølge Rothemund, CanDo-programmet skulle give DNA-origami-designere mulighed for mere grundigt at teste deres DNA-strukturer og tilpasse dem til at folde korrekt. “Mens vi har været i stand til at designe formen på tingene, vi har ikke haft værktøjer til nemt at designe og analysere spændingerne og belastningerne i disse former eller til at designe dem til specifikke formål, ” siger han.

På molekylært niveau, stress i den dobbelte helix af DNA nedsætter strukturens foldningsstabilitet og introducerer lokale defekter, som begge har hæmmet fremskridt inden for stilladseret DNA-origami.

Postdoc-forsker Do-Nyun Kim og kandidatstuderende Matthew Adendorff, både fra Bathe lab, fremmer nu CanDos muligheder og optimerer den stilladserede DNA-origami-designproces.

Opbygning af værktøjer i nanoskala

Når først videnskabsmænd har en pålidelig måde at samle DNA-strukturer på, det næste spørgsmål er, hvad man skal gøre med dem. En applikation, som forskere er begejstrede for, er en "DNA-bærer", der kan transportere lægemidler til bestemte destinationer i kroppen, såsom tumorer, hvor transportøren ville frigive lasten baseret på et specifikt kemisk signal fra målkræftcellen.

En anden mulig anvendelse af stilladseret DNA-origami kunne hjælpe med at reproducere en del af fotosyntetiske plantecellers lysindsamlingsapparat. Forskere håber at genskabe den komplekse serie af omkring 20 proteinunderenheder, men for at gøre det, komponenter skal holdes sammen i bestemte positioner og orienteringer. Det er her, DNA-origami kunne komme ind.

"DNA-origami muliggør konstruktion af meget præcise arkitektoniske arrangementer i nanoskala. Forskere udnytter denne unikke egenskab til at forfølge en række applikationer på nanoskala, inklusive en syntetisk fotocelle, " siger Bade. "Mens applikationer som denne stadig er ret langt væk i horisonten, vi mener, at forudsigende ingeniørsoftwareværktøjer er afgørende for fremskridt i denne retning."

Nye ansøgninger kan også vokse ud af en ny konkurrence, der afholdes på Harvard til sommer, kaldet BIOMOD. Undergraduate-hold fra omkring et dusin skoler, inklusive MIT, Harvard og Caltech, vil forsøge at designe biomolekyler i nanoskala til robotteknologi, computere og andre applikationer.

I mellemtiden, Bathe fokuserer på at videreudvikle CanDo for at muliggøre automatiseret DNA-origami-design. "Når du har et automatiseret beregningsværktøj, der giver dig mulighed for at designe komplekse former på en præcis måde, Jeg tror, ​​vi er i en meget bedre position til at udnytte denne teknologi til interessante applikationer, ” siger han.

For at DNA-origami skal have en bred indvirkning, det skal blive rutine blot at bestille DNA-dele for at bygge enhver konfiguration, du kan drømme om, siger Bade. Han bemærker:"Når ikke-specialister kan designe vilkårlige 3-D nanostrukturer ved hjælp af DNA-origami, deres fantasi kan få frit løb."