DNA-origami:Team udvikler innovative drejninger til DNA-nanoteknologi (m/ video)

I en ny opdagelse, der repræsenterer et stort skridt i løsningen af ​​en kritisk designudfordring, Arizona State University Professor Hao Yan har ledet et forskerhold til at producere en lang række 2-D og 3-D strukturer, der skubber grænserne for det spirende område af DNA-nanoteknologi.

Inden for DNA-nanoteknologi udnytter naturens designregler og DNA's kemiske egenskaber til selv at samle sig til en stadig mere kompleks menageri af molekyler til biomedicinske og elektroniske anvendelser. Nogle af Yan-laboratoriets præstationer inkluderer at bygge trojanske heste-lignende strukturer for at forbedre lægemiddellevering til kræftceller, elektrisk ledende guld nanotråde, enkelt molekyle sensorer og programmerbare molekylære robotter.

Med deres bio-inspirerede arkitektoniske værker, gruppen fortsætter med at udforske de geometriske og fysiske grænser for bygning på molekylært niveau.

"Folk i dette felt er meget interesserede i at lave trådramme eller mesh strukturer, " sagde Yan. "Vi var nødt til at komme med nye designprincipper, der giver os mulighed for at bygge med mere kompleksitet i tre dimensioner."

I deres seneste twist til teknologien, Yans team lavede nye 2-D og 3-D objekter, der ligner wire-frame kunst af kugler såvel som molekylær pincet, saks, en skrue, håndvifte, og endda et edderkoppespind.

Yan laboratoriet, som inkluderer ASU Biodesign Institute-kolleger Dongran Han, Suchetan Pal, Shuoxing Jiang, Jeanette Nangreave og adjunkt Yan Liu, offentliggjort deres resultater i 22. marts-udgaven af Videnskab .

Twist i deres 'bottom-up', ' molekylær Lego-designstrategi fokuserer på en DNA-struktur kaldet en Holliday junction. I naturen, dette korsformede, dobbeltstablet DNA-struktur er som genetikkens 4-vejs trafikstop - hvor 2 separate DNA-spiraler midlertidigt mødes for at udveksle genetisk information. Holliday-krydset er korsvejen, der er ansvarlig for mangfoldigheden af ​​liv på Jorden, og sikrer, at børn får en unik blanding af egenskaber fra en mor og fars DNA.

I naturen, Holliday-krydset snoer de dobbeltstablede DNA-strenge i en vinkel på omkring 60 grader, som er perfekt til at bytte gener, men nogle gange frustrerende for DNA-nanoteknologiforskere, fordi det begrænser designreglerne for deres strukturer.

"I princippet du kan bruge stilladset til at forbinde flere lag vandret, "[som mange forskerhold har brugt siden udviklingen af ​​DNA-origami af Cal Techs Paul Rothemund i 2006]. Men, når du går i lodret retning, DNA'ets polaritet forhindrer dig i at lave flere lag, " sagde Yan. "Det, vi skulle gøre, er at dreje vinklen og tvinge den til at forbinde."

At lave de nye strukturer, som Yan havde forestillet sig, krævede omkonstruktion af Holliday-krydset ved at vende og rotere rundt om krydsningspunktet omkring en halv urskive, eller 150 grader. En sådan bedrift er ikke blevet overvejet i eksisterende designs.

"Den første idé var den sværeste del, " sagde Yan. "Dit sind ser ikke altid mulighederne, så du glemmer det. Vi var nødt til at bryde den konceptuelle barriere for, at dette kunne ske."

I den nye undersøgelse, ved at variere længden af ​​DNA'et mellem hvert Holliday-kryds, de kunne tvinge geometrien ved Holliday-krydset til en ukonventionel omarrangering, gør krydsene mere fleksible at bygge for første gang i den lodrette dimension. Yan kalder baghavens grill-grill-formede struktur for en DNA Gridiron.

"Vi var forbløffede over, at det virkede!" sagde Yan. "Da vi så, at det faktisk virkede, det var relativt nemt at implementere nye designs. Nu ser det let ud i bakspejlet. Hvis din tankegang er begrænset af de konventionelle regler, det er virkelig svært at tage det næste skridt. Når du først har taget det skridt, det bliver så tydeligt."

DNA Gridiron-designerne er programmeret til et viralt DNA, hvor en spaghettiformet enkelt DNA-streng spyttes ud og foldes sammen ved hjælp af små 'hæfte' DNA-strenge, der hjælper med at forme den endelige DNA-struktur. I et reagensglas, blandingen opvarmes, derefter hurtigt afkølet, og alt samler sig selv og formes til den endelige form, når det er afkølet. Næste, ved hjælp af sofistikeret AFM- og TEM-billedteknologi, de er i stand til at undersøge de færdige produkters former og størrelser og fastslå, at de er dannet korrekt.

Denne tilgang har givet dem mulighed for at bygge flerlags, 3-D strukturer og buede objekter til nye applikationer.

"Det meste af vores forskerhold er nu dedikeret til at finde nye applikationer til dette grundlæggende værktøjssæt, vi laver, " sagde Yan. "Der er stadig lang vej at gå og en masse nye ideer at udforske. Vi skal bare blive ved med at tale med biologer, fysikere og ingeniører til at forstå og opfylde deres behov."