Designers værktøjskasse til dynamiske DNA -nanomaskiner

De nyeste DNA -nanodeapparater skabt på Technische Universitaet Muenchen (TUM) - herunder en robot med bevægelige arme, en bog, der åbner og lukker, et gear, der kan skiftes, og en aktuator - kan i sig selv være spændende, men det er ikke meningen. De demonstrerer et gennembrud i videnskaben om at bruge DNA som et programmerbart byggemateriale til nanometer-skala strukturer og maskiner. Resultater offentliggjort i tidsskriftet Videnskab afsløre en ny tilgang til sammenføjning - og rekonfiguration - af modulopbyggede 3D -bygningsenheder, ved at snappe sammen komplementære former i stedet for at zippe sammen strenge af basepar. Dette åbner ikke kun vejen for praktiske nanomaskiner med bevægelige dele, men tilbyder også en værktøjskasse, der gør det lettere at programmere deres selvmontering.

Feltet populært kendt som "DNA origami, "med henvisning til den traditionelle japanske kunst med papirfoldning, går hurtigt frem mod praktiske anvendelser, ifølge TUM Prof. Hendrik Dietz. Tidligere på måneden, Dietz blev tildelt Tysklands vigtigste forskningspris, Gottfried Wilhelm Leibniz -prisen, for hans rolle i denne fremgang.

I de seneste år, Dietz og hans team har været ansvarlige for store skridt i retning af applikationer:eksperimentelle enheder, herunder en syntetisk membrankanal fremstillet af DNA; opdagelser, der reducerer den tid, der er nødvendig for selvmonteringsprocesser, fra en uge til et par timer og muliggør udbytter, der nærmer sig 100%; bevis på, at ekstremt komplekse strukturer kan samles, som designet, med subnanometer præcision.

Alligevel anvendte alle disse fremskridt "baseparring" til at bestemme, hvordan individuelle tråde og samlinger af DNA ville slutte sig til andre i løsning. Det nye er "limen".

"Når du bygger en enhed med basepar, "Dietz forklarer, "det er svært at bryde fra hinanden. Så dynamiske strukturer fremstillet ved hjælp af denne tilgang havde en tendens til at være strukturelt enkle." For at muliggøre en bredere vifte af DNA -nanomaskiner med bevægelige dele og potentielt nyttige egenskaber, holdet tilpassede yderligere to teknikker fra naturens biomolekylære værktøjssæt:måden proteiner bruger formkomplementaritet til at forenkle docking med andre molekyler, og deres tendens til at danne relativt svage bindinger, der let kan brydes, når de ikke længere er nødvendige.

Bioinspireret fleksibilitet

For forsøgene rapporteret i Videnskab , Dietz og hans medforfattere - doktorander Thomas Gerling og Klaus Wagenbauer, og bachelorstuderende Andrea Neuner fra TUM's Munich School of Engineering - hentede inspiration fra en mekanisme, der tillader nukleinsyremolekyler at binde sig gennem interaktioner, der er svagere end baseparring. I naturen, svage bindinger kan dannes, når det RNA-baserede enzym RNase P "genkender" såkaldt transfer-RNA; molekylerne bliver guidet til tæt nok rækkevidde, som docking rumfartøjer, ved deres komplementære former.

Den nye teknologi fra Dietzs laboratorium efterligner denne tilgang. For at oprette en dynamisk DNA -nanomaskin, forskerne begynder med at programmere selvsamlingen af ​​3D-byggesten, der er formet til at passe sammen. En svag, kortvarig bindingsmekanisme kaldet nucleobase stacking kan derefter aktiveres for at snappe disse enheder på plads. Tre forskellige metoder er tilgængelige til at styre form og virkning af enheder, der er fremstillet på denne måde.

"Dette har givet os er et opdelt hierarki af interaktionsstyrker, "Dietz siger, "og evnen til at placere - præcis hvor vi har brug for dem - stabile domæner, der kan genkende og interagere med bindende partnere." Teamet producerede en række DNA -enheder - lige fra mikrometer -filamenter, der kan præfigurere teknologiske "flagella" til nanoskala -maskiner med bevægelige dele - for at demonstrere mulighederne og begynde at teste grænserne.

For eksempel, transmissionselektronmikrografer af en tredimensionel, nanoskala humanoid robot bekræfter, at brikkerne passer præcis sammen som designet. Ud over, de viser, hvordan en simpel kontrolmetode - ændring af koncentrationen af ​​positive ioner i opløsning - aktivt kan skifte mellem forskellige konfigurationer:samlet eller adskilt, med "arme" åbne bredt eller hviler ved robotens side.

En anden metode til at skifte en DNA -nanodeenhed mellem dens forskellige strukturelle tilstande - ved blot at hæve og sænke temperaturen - viste sig at være særlig robust. For tidligere generationer af enheder, dette krævede adskillelse og sammenføjning af DNA-basepar, og dermed blev systemerne "slidt op" ved fortynding og side-reaktioner efter blot et par cyklusser med skift. En sakselignende aktuator beskrevet i det nuværende papir gennemgik mere end tusind temperaturskiftede cyklusser over en fire-dages periode uden tegn på forringelse.

"Temperaturcykling er en måde at sætte energi på i systemet, "Dietz tilføjer, "så hvis den reversible konformationelle overgang kunne kobles til en proces, der hele tiden udvikler sig, vi har stort set nu en måde ikke bare at bygge nanomaskiner, men også for at drive dem. "

"Et snap" - som børnespil

Der er endnu en dimension til fleksibiliteten ved at tilføje formkomplementære komponenter og svag binding til DNA-nanoteknologi-værktøjskassen. Programmering af selvsamling ved baseparring alene er som at skrive computerkode på maskinsprog. Håbet er, at denne nye tilgang vil gøre det lettere at bøje DNA origami mod praktiske formål, på nogenlunde samme måde fremskyndede fremkomsten af ​​computerprogrammeringssprog på højere niveau fremskridt inden for software engineering.

Dietz sammenligner det med at bygge med legetøj til børn som LEGO:"Du designer komponenterne til at være komplementære, og det er det. Ikke mere bøvl med basepar-sekvenser for at forbinde komponenter. "