DNA-origami kan føre til nanotransformatorer til biomedicinske applikationer

Hvis de nye nanomaskiner bygget på Ohio State University ser bekendte ud, det er fordi de er designet med mekaniske dele i fuld størrelse såsom hængsler og stempler i tankerne.

Projektet er det første til at bevise, at de samme grundlæggende designprincipper, som gælder for typiske maskindele i fuld størrelse, også kan anvendes på DNA – og kan producere komplekse, kontrollerbare komponenter til fremtidige nano-robotter.

I et papir offentliggjort i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences , Ohio State mekaniske ingeniører beskriver, hvordan de brugte en kombination af naturligt og syntetisk DNA i en proces kaldet "DNA origami" til at bygge maskiner, der kan udføre opgaver gentagne gange.

"Naturen har produceret utroligt komplekse molekylære maskiner på nanoskala, og et hovedmål med bio-nanoteknologi er at reproducere deres funktion syntetisk, " sagde projektleder Carlos Castro, adjunkt i maskin- og rumfartsteknik. "Hvor de fleste forskergrupper nærmer sig dette problem fra et biomimetisk synspunkt - der efterligner strukturen af ​​et biologisk system - besluttede vi at benytte os af det veletablerede område for makroskopisk maskindesign til inspiration."

"I bund og grund vi bruger et biomolekylært system til at efterligne store tekniske systemer for at nå det samme mål om at udvikle molekylære maskiner, " han sagde.

Ultimativt, teknologien kunne skabe komplekse nano-robotter til at levere medicin inde i kroppen eller udføre biologiske målinger i nanoskala, blandt mange andre applikationer. Ligesom den fiktive "Transformers, "en DNA-origami-maskine kunne ændre form til forskellige opgaver.

"Jeg er ret begejstret for denne idé, " sagde Castro. "Jeg tror, ​​at vi i sidste ende kan bygge noget som et transformersystem, selvom det måske ikke er helt som i filmene. Jeg tænker mere på det som en nanomaskine, der kan detektere signaler såsom binding af et biomolekyle, behandle information baseret på disse signaler, og derefter reagere i overensstemmelse hermed - måske ved at generere en kraft eller ændre form."

DNA-origami-metoden til fremstilling af nanostrukturer har været meget brugt siden 2006, og er nu en standardprocedure for mange laboratorier, der udvikler fremtidige lægemiddelleveringssystemer og elektronik. Det involverer at tage lange DNA-strenge og lokke dem til at foldes til forskellige former, derefter at sikre visse dele sammen med "hæfteklammer" lavet af kortere DNA-strenge. Den resulterende struktur er stabil nok til at udføre en grundlæggende opgave, såsom at bære en lille mængde medicin inde i en beholderlignende DNA-struktur og åbne beholderen for at frigive den.

For at skabe mere komplekse nanomaskiner, der kunne udføre sådanne opgaver gentagne gange, Castro sluttede sig til Haijun Su, også en assisterende professor i mekanisk og rumfartsteknik ved Ohio State. Kombineret, de to forskerhold har ekspertise inden for nanoteknologi, biomekanik, maskinteknik og robotteknologi.

Castro sagde, at der er to nøgler til deres unikke tilgang til design og styring af maskinernes bevægelse. Den første involverer at gøre visse dele af strukturen fleksible. De laver fleksible dele af enkeltstrenget DNA, og stivere dele fra dobbeltstrenget DNA.

Den anden nøgle går ud på at "tune" DNA-strukturerne, så maskinernes bevægelser er reversible og gentagelige. Forskerne prikker deres strukturer med syntetiske DNA-strenge, der hænger ud af kanterne som forteltet på et tag. I stedet for at forbinde dele af maskinen permanent, disse tråde er designet til at fungere som strimler af velcrolukninger – de klæber sammen eller løsnes afhængigt af kemiske signaler fra maskinens omgivelser.

I laboratoriet, Ph.d.-studerende Alexander Marras og Lifeng Zhou tog lange DNA-strenge fra en bakteriofag - en virus, der inficerer bakterier og er uskadelig for mennesker - og "hæftede" dem sammen med korte strenge af syntetisk DNA.

Først, de sammenføjede to stive DNA "planker" med fleksible hæfteklammer langs den ene kant for at skabe et simpelt hængsel. Castro sammenlignede processen med "at forbinde to 2x4'ere af træ med meget korte stykker snor langs 4-tommers kant i den ene ende."

De byggede også et system, der flyttede et stempel inde i en cylinder. Den maskine brugte fem planker, tre hængsler og to rør med forskellige diametre – alle lavet af stykker af dobbeltstrenget og enkeltstrenget DNA.

For at teste, om maskinerne bevægede sig korrekt, de afbildede dem med transmissionselektronmikroskopi. De mærkede også DNA'et med fluorescerende tags, så de kunne observere formændringerne med et spektrofluorometer. Tests bekræftede, at hængslerne åbnede og lukkede, og stemplet bevægede sig frem og tilbage - og at forskere kunne kontrollere bevægelsen ved at tilføje kemiske signaler til opløsningen, såsom yderligere DNA-strenge.

Denne tilgang til at designe enkle samlinger og forbinde dem for at skabe mere komplekse arbejdssystemer er almindelig i makroskopisk maskindesign, men det er første gang, det er blevet gjort med DNA - og første gang nogen har tunet DNA'et til at producere reversibel aktivering af en kompleks mekanisme.

Forskerholdet arbejder nu på at udvide designet af mekanismer til tuning af maskinerne, og de vil også forsøge at opskalere produktionen af ​​maskinerne til videreudvikling.