Krystallisering af DNA-nanoteknologidrømmen:Forskere har designet de første store DNA-krystaller

DNA har fået opmærksomhed for sit potentiale som en programmerbar materialeplatform, der kunne afføde helt nye og revolutionerende nanoenheder inden for datalogi, mikroskopi, biologi, og mere. Forskere har arbejdet på at mestre evnen til at lokke DNA-molekyler til selv at samle sig i de præcise former og størrelser, der er nødvendige for fuldt ud at realisere disse nanoteknologiske drømme.

I de sidste 20 år, videnskabsmænd har forsøgt at designe store DNA-krystaller med præcist foreskrevet dybde og komplekse funktioner – en designopgave, der netop er blevet opfyldt af et team på Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering. Holdet byggede 32 DNA-krystaller med præcist defineret dybde og et udvalg af sofistikerede tredimensionelle (3D) funktioner, et forskud indberettet i Naturkemi .

Holdet brugte deres "DNA-brick self-assembly" metode, som først blev afsløret i en 2012 Videnskab publikation, da de skabte mere end 100 3D komplekse nanostrukturer på størrelse med vira. De nyligt opnåede periodiske krystalstrukturer er mere end 1000 gange større end de diskrete DNA-murstensstrukturer, tættere på et støvkorn, som faktisk er ret stor inden for DNA-nanoteknologiens verden.

"Vi er meget glade for, at vores DNA mursten tilgang har løst denne udfordring, " sagde seniorforfatter og Wyss Institute Core Faculty-medlem Peng Yin, Ph.D., som også er lektor i systembiologi ved Harvard Medical School, "Og vi var faktisk overraskede over, hvor godt det fungerer."

Forskere har kæmpet for at krystallisere komplekse 3D DNA-nanostrukturer ved hjælp af mere konventionelle selvsamlingsmetoder. Risikoen for fejl har en tendens til at stige med kompleksiteten af ​​de strukturelle gentagne enheder og størrelsen af ​​DNA-krystallen, der skal samles.

DNA mursten metoden bruger korte, syntetiske DNA-strenge, der fungerer som sammenlåsende Lego®-klodser til at bygge komplekse strukturer. Strukturer er først designet ved hjælp af en computermodel af en molekylær terning, som bliver et mesterlærred. Hver klods tilføjes eller fjernes uafhængigt af 3D-masterlærredet for at nå frem til den ønskede form - og derefter sættes designet i gang:DNA-strengene, der ville matche for at opnå den ønskede struktur, blandes sammen og samles selv for at opnå den designede krystal strukturer.

"Deri ligger det vigtigste kendetegn ved vores designstrategi - dens modularitet, " sagde medforfatter Yonggang Ke, Ph.D., tidligere Wyss Institute Postdoc Fellow og nu assisterende professor ved Georgia Institute of Technology og Emory University. "Evnen til blot at tilføje eller fjerne stykker fra masterlærredet gør det nemt at skabe stort set ethvert design."

Modulariteten gør det også relativt nemt at præcist definere krystaldybden. "Dette er første gang nogen har demonstreret evnen til rationelt at designe krystaldybde med nanometer præcision, op til 80 nm i denne undersøgelse, " sagde Ke. I modsætning hertil, tidligere todimensionelle DNA-gitre er typisk enkeltlagsstrukturer med kun 2 nm dybde.

"DNA-krystaller er attraktive til nanoteknologiske applikationer, fordi de består af gentagne strukturelle enheder, der giver en ideel skabelon til skalerbare designfunktioner", sagde co-lead forfatter kandidatstuderende Luvena Ong.

Desuden, som en del af denne undersøgelse demonstrerede holdet evnen til at placere guldnanopartikler i foreskrevne 2D-arkitekturer mindre end to nanometer fra hinanden langs krystalstrukturen - en kritisk funktion for fremtidige kvanteenheder og et betydeligt teknisk fremskridt for deres skalerbare produktion, sagde medforfatter Wei Sun, Ph.D., Wyss Institute postdoc.

"Mine forudfattede opfattelser af DNA's begrænsninger er konsekvent blevet knust af vores nye fremskridt inden for DNA-nanoteknologi, " sagde William Shih, Ph.D., som er medforfatter af undersøgelsen og et Wyss Institute Founding Core Faculty-medlem, samt lektor i Institut for Biologisk Kemi og Molekylær Farmakologi ved Harvard Medical School og Institut for Kræftbiologi ved Dana-Farber Cancer Institute. "DNA nanoteknologi gør det nu muligt for os at samle, på en programmerbar måde, foreskrevne strukturer, der konkurrerer med kompleksiteten af ​​mange molekylære maskiner, vi ser i naturen."

"Pengs team bruger DNA-brick-selvsamlingsmetoden til at bygge fundamentet for det nye landskab af DNA-nanoteknologi i et imponerende tempo, " sagde Wyss Institutes stiftende direktør Don Ingber, M.D., Ph.D. "Hvad der blot har været visioner om, hvordan DNA-molekylet kunne bruges til at fremme alt fra halvlederindustrien til biofysik, er hurtigt ved at blive realiteter."