Fluorescerende jungle fitnesscentre lavet af DNA

(Phys.org) - 1966 -filmen Fantastic Voyage præsenterede en vision for fremtiden, der omfatter små maskiner, der glider gennem kroppen og reparerer skader. Næsten 50 år senere, videnskabsmænd er ved at finde ud af, hvordan man kan danne byggesten til sådanne maskiner ud fra DNA.

Et nyt papir i Science beskriver DNA-baserede polyedriske former, der er større og stærkere, end videnskabsmænd har bygget før. Lige nu, det er bare statiske former. Men de leverer stilladset, som videnskabsmænd kan bygge robot-walkers på, eller bure med døre, der åbner og lukker. Allerede, forskere taler om, hvordan sådanne strukturer kan bruges til at levere lægemidler præcist til bestemte celler eller steder i kroppen.

"I øjeblikket er DNA-selvsamling måske en af ​​de mest lovende metoder til fremstilling af disse nanoskala-maskiner, " siger medforfatter Yonggang Ke, Ph.d., som for nylig sluttede sig til Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering ved Georgia Tech og Emory University som assisterende professor.

Forskerteamet blev ledet af Peng Yin, PhD ved Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering. Arbejde med det samme team, Ke var også første forfatter på et papir fra 2012 i Videnskab beskriver "DNA klodser", der ligner LEGO klodser.

I det aktuelle papir, formerne er lavet af stiverforstærkede stativer, som samler sig fra individuelle DNA -tråde i en proces kaldet "DNA origami." Allerede, ved 5 megadalton, hvert stativ er mere massivt end det største kendte enkeltprotein (titin, involveret i muskelsammentrækning) og mere massiv end et ribosom, en af ​​de cellulære fabrikker, hvor proteiner fremstilles. Stativene kan igen danne prisme-lignende strukturer, 100 nanometer på hver side, der begynder at nærme sig størrelsen på cellulære organeller såsom mitokondrier.

Prismestrukturerne er stadig for små til at se med lysmikroskoper. Fordi elektronmikroskopi kræver, at genstande tørres og fladlægges, forskerne brugte en fluorescensbaseret billeddannelsesteknik kaldet "DNA PAINT" til at visualisere jungle-gym-lignende strukturer i løsning.

DNA er ikke nødvendigvis det mest holdbare materiale til at bygge en lillebitte maskine. Det er sårbart over for kemiske angreb, og enzymer inde i kroppen tygger let DNA, især udsatte ender. Imidlertid, DNA giver nogle fordele:det er let (og billigt) at syntetisere i laboratoriet, og DNA-baseparring er selektiv. Faktisk, siger Ke, disse indviklede strukturer samler sig selv:sæt alle komponenter sammen i et rør, og alle de DNA-sekvenser, der formodes at parre sig, finder hinanden i opløsning.

Hvert ben på stativet er lavet af 16 DNA -dobbeltspiraler, forbundet på en måde, der begrænser strukturen og gør den stiv. Stativene har "klæbende ender", der er selektive og kan samles i de større pyramider eller prismestrukturer. Tidligere bestræbelser på at bygge polyhedrale strukturer var som at prøve at lave et jungle -gym af reb:de var for diskette og svære at samle.

For at se pyramiden og prisme strukturer, forskerholdet brugte "DNA-PAINT" teknikken, som bruger fluorescerende DNA -sonder, der forbinder sig til DNA -strukturerne. Denne metode muliggør visualisering af strukturer, der ikke kan ses med et konventionelt lysmikroskop. Hvorfor ikke blot gøre selve DNA-strukturerne fluorescerende? Fordi et stærkt lys skinner på sådanne strukturer hurtigt ville slukke deres fluorescenssignal.

I sit eget arbejde i Atlanta, Ke siger, at han planlægger at tilpasse DNA -strukturerne yderligere, at kombinere DNA'et med yderligere kemi for at tilføje andre funktionelle molekyler, herunder proteiner eller nanopartikler. Han er især interesseret i at udvikle DNA-baserede materialer, der kan manipulere eller reagere på lys eller bære magneter, med potentielle biomedicinske anvendelser såsom MR-billeddannelse eller målrettet lægemiddellevering.