Selvreplikerende nanostrukturer fremstillet af DNA

(Phys.org)-Er det muligt at konstruere selvreplikerende nanomaterialer? Det kunne være, hvis vi låner naturens byggesten. DNA er et selvreplikerende molekyle, hvor dets bestanddele, nukleotider, har specifikke kemiske interaktioner, der giver mulighed for design af selvsamlede strukturer. I biologiske systemer, DNA replikeres ved hjælp af proteiner. Imidlertid, Junghoon Kim, Junwye Lee, Shogo Hamada, Satoshi Murata, og Sung Ha Park fra Sungkyunkwan University og Tohoku University har designet et kontrollerbart selvreplikerende system, der ikke kræver proteiner. Deres arbejde vises i Natur nanoteknologi .

For at forstå, hvordan denne selvreplikerende proces fungerer, det er vigtigt at kende de forskellige komponentdele. Kim et al. designet to DNA T-motiver, r ₁ og r ₂ , som er dobbeltstrenget DNA bestående af funktionelle domæner, mærket alfa og beta, og "sticky" ender som forbindelsespunkter. De har også designet et forlængelsesmotiv. Tolv enheder af r ₁ motiv samles selv til en lille ring, R ₁ , og tolv enheder på r ₂ plus tolv forlængelsesmotiver samles selv til en større ring, R ₂ .

Disse komponenter kan være i to forskellige tilstande, "befrugtet" eller "ubefrugtet". De befrugtede strukturer indeholder de funktioner, der er nødvendige for replikation. Befrugtning sker, når et enkeltstrenget alfa- eller beta-domæne af en r ₁ eller r ₂ motiv binder med en streng med et komplementært alfa- eller beta-domæne. Dette efterlader et enkeltstrenget fremspring, eller tåhold, strækker sig fra ringen eller fra det originale motiv. Tåholderne angiver, at ringen eller motivet er befrugtet.

Disse tåholdere, der strækker sig fra DNA -ringen, binder sig til komplementære invaderstråde. Når dette sker, den hybridiserede struktur bestående af tågrebet og den invaderende streng brækker af den oprindelige ring, og til sidst, da disse stykker afbrydes på grund af grenvandring, de samler sig selv til en anden ring.

Denne proces fortsætter gennem to forskellige replikationsveje. En vej vokser eksponentielt. Den anden vej vokser i henhold til Fibonaccis sekvens. Den bestemte vej, der tages, afhænger af, hvilke invaderende tråde der tilføjes til systemet.

Forfatterne bekræftede, at DNA-ringpopulationerne voksede gennem denne tåholdsmedierede proces med AFM og absorbansundersøgelser. Til AFM-studierne, de tog en lille prøve fra hver fase og bestemte det gennemsnitlige antal ringe til stede i den fase. Absorbansdata blev justeret for at bestemme den relative koncentration af ringe ved hver fase.

De verificerede også, at datterringene var et resultat af glødning til enkeltstrengede tåholdere fra den oprindelige ring frem for som et resultat af selvsamling af resterende DNA-motiver i opløsning ved hjælp af gelelektroforese og ekstraktion af DNA-produkterne fra hver fase. De individuelle faser blev undersøgt med AFM, og invaderende tråde blev tilsat til en opløsning under hver af faserne for at se, om der blev dannet ringe.

Kim, et al. demonstreret, at selvreplikation i nanoskala kan forekomme ved hjælp af de termodynamiske egenskaber af tåhold-medieret strengforskydning og DNA-motivers selvsamlingsevner. I denne undersøgelse samler syntetiske DNA T-motiver sig selv til strukturer, der tillader sekventielle reaktioner at finde sted. Denne forskning viser muligheden for funktionelt programmerbare selvreplikerende nanostrukturer.

© 2015 Phys.org