Virkelighedskontrol for DNA-nanoteknologi:Sænkning af barrierer for DNA-baseret nanofremstilling

To store barrierer for udviklingen af ​​DNA -nanoteknologi ud over forskningslaboratoriet er blevet slået ned. Denne nye teknologi anvender DNA som et programmerbart byggemateriale til selvsamlede, nanometer-skala strukturer. Mange praktiske anvendelser er blevet overvejet, og forskere demonstrerede for nylig en syntetisk membrankanal fremstillet af DNA. Indtil nu, imidlertid, designprocesser blev hæmmet af mangel på strukturel feedback. Monteringen var langsom og ofte af dårlig kvalitet. Nu har forskere ledet af prof. Hendrik Dietz fra Technische Universitaet Muenchen (TUM) fjernet disse forhindringer.

En barriere, der holdt feltet tilbage, var en ubevist antagelse. Forskere var i stand til at designe en bred vifte af diskrete objekter og præcisere præcist, hvordan DNA -tråde skal lynes sammen og foldes i de ønskede former. De kunne vise, at de resulterende nanostrukturer tæt matchede designene. Mangler stadig, selvom, var validering af den formodede præcise positionskontrol på subnanometer-skala. Dette er blevet bekræftet for første gang gennem analyse af et testobjekt designet specielt til formålet. Et teknisk gennembrud baseret på fremskridt inden for grundlæggende forståelse, denne demonstration har givet en afgørende reality -check for DNA -nanoteknologi.

I et separat sæt eksperimenter, forskerne opdagede, at den tid, det tager at lave et parti komplekse DNA-baserede objekter, kan skæres fra en uge til et par minutter, og at udbyttet kan være næsten 100%. De viste for første gang, at ved en konstant temperatur, hundredvis af DNA -tråde kan foldes sammen for at danne et objekt - korrekt, som designet - inden for få minutter. Overraskende, de siger, processen ligner proteinfoldning, trods betydelige kemiske og strukturelle forskelle. "Ser denne kombination af hurtig foldning og højt udbytte, "Dietz siger, "vi har en stærkere fornemmelse end nogensinde, at DNA -nanoteknologi kan føre til en ny form for fremstilling, med en kommerciel, selv industriel fremtid. "Og der er umiddelbare fordele, tilføjer han:"Nu skal vi ikke vente en uge på feedback om et eksperimentelt design, og montageprocesser i flere trin er pludselig blevet så meget mere praktiske. "

Atomisk præcis kontrol

For at teste antagelsen om, at diskrete DNA -objekter kunne samles som designet med subnanometerpræcision, TUM biofysikere samarbejdede med forskere ved MRC Laboratory of Molecular Biology i Cambridge, Storbritannien. De producerede en relativt stor, tredimensionel DNA-baseret struktur, asymmetrisk til at bestemme orienteringen, og inkorporerer karakteristiske designmotiver.

Subnanometer-opløsning billeddannelse med lavtemperatur elektronmikroskopi gjorde det muligt for forskerne at kortlægge objektet-som omfatter mere end 460, 000 atomer-med detaljer i subnanometer-skala. Fordi objektet inkorporerer, træde i kræft, et helt bibliotek med forskellige designelementer, det vil også tjene som en ressource for yderligere undersøgelser. Resultaterne, rapporteret i Procedurer fra National Academy of Sciences , ikke kun demonstrere atomisk præcis samling, men også vise, at sådanne strukturer, tidligere antaget at være geléagtig og fleksibel, er stive nok til at blive undersøgt ved elektronmikroskopi.

Hurtig behandling, næsten 100% udbytter

I modsætning, DNA-objekter med 19 forskellige designs-herunder tallerkenlignende, gearlignende, og murstenlignende former-blev brugt til en anden række eksperimenter på TUM, rapporteret i det seneste nummer af Videnskab . Her var forskernes hovedfokus på dynamikken i DNA -foldning og udfoldelse. Den sædvanlige selvsamlingsproces beskrives ofte som en "one-pot-reaktion":Strenge af DNA, der vil tjene som skabelon, instruktioner, og byggemateriale til et designet objekt placeres sammen ved en relativt høj temperatur, hvor de forbliver adskilte; temperaturen sænkes gradvist, og et sted langs linjen lyner DNA -strengene sammen for at danne de ønskede strukturer.

Iagttagelse af denne proces i enestående detaljer, TUM -forskerne opdagede, at hele handlingen finder sted inden for et specifikt og relativt snævert temperaturinterval, som varierer afhængigt af objektets design. En praktisk betydning er, at når den optimale temperatur for et givet design er blevet bestemt, DNA-selvsamling-nanofremstilling, i det væsentlige - kunne opnås gennem hurtige processer ved konstante temperaturer. Opfølgning på denne føring, forskerne fandt ud af, at de kunne "masseproducere" objekter fremstillet af hundredvis af DNA-tråde inden for få minutter i stedet for dage, med næsten ingen defekte genstande eller biprodukter i den resulterende batch.

"Udover at fortælle os, at komplekse DNA -objekter kan fremstilles, "Dietz siger, "disse resultater tyder på noget, vi næsten ikke turde forestille os før - at det kan være muligt at samle DNA -nanodeapparater i en cellekultur eller endda inde i en levende celle."

Set fra den grundlæggende biologis synspunkt, det mest spændende resultat af disse forsøg kan være opdagelsen af, at DNA -foldning ligner proteinfoldning tættere end forventet. Kemisk og strukturelt, de to familier af biomolekyler er ganske forskellige. Men forskerne observerede klart definerede "kooperative" trin i foldningen af ​​komplekse DNA -objekter, i princippet ikke anderledes end mekanismer, der arbejder i proteinfoldning. De spekulerer i, at yderligere eksperimenter med selvsamling af designede DNA-objekter kunne hjælpe med at opklare mysterierne ved proteinfoldning, som er mere kompleks og mindre tilgængelig for direkte undersøgelse.