Ikke-vandigt opløsningsmiddel understøtter DNA-nanoteknologi

Forskere over hele verden bruger programmerbarheden af ​​DNA til at samle komplekse strukturer i nanometerskala. Indtil nu, imidlertid, produktionen af ​​disse kunstige strukturer har været begrænset til vandbaserede miljøer, fordi DNA naturligt fungerer inde i det vandige miljø af levende celler.

Forskere ved Georgia Institute of Technology har nu vist, at de kan samle DNA-nanostrukturer i et opløsningsmiddel, der ikke indeholder vand. De opdagede også, at tilsætning af en lille mængde vand til deres opløsningsmiddel øger samlingshastigheden og giver et nyt middel til at kontrollere processen. Opløsningsmidlet kan også lette produktionen af ​​mere komplekse strukturer ved at reducere problemet med, at DNA bliver fanget i utilsigtede strukturer.

Forskningen kan åbne op for nye applikationer til DNA-nanoteknologi, og hjælpe med at anvende DNA-teknologi til fremstilling af halvleder- og plasmonstrukturer i nanoskala. Sponsoreret af National Science Foundation og NASA, forskningen vil blive offentliggjort som forsidehistorien i bind 54, Nummer 23 af tidsskriftet Angewandte Chemie International Edition .

"DNA nanoteknologiske strukturer bliver mere og mere komplekse, og dette opløsningsmiddel kan hjælpe forskere, der arbejder i dette voksende felt, " sagde Nicholas Hud, en professor ved Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry. "Med dette arbejde, vi har vist, at DNA-nanostrukturer kan samles i et vandfrit opløsningsmiddel, og at vi kan blande vand med det samme opløsningsmiddel for at fremskynde montagen. Vi kan også tage de strukturer, der blev samlet i dette opløsningsmiddel blandet med vand – fjerne vandet ved at anvende vakuum – og lade DNA-strukturerne forblive intakte i det vandfrie opløsningsmiddel."

Samlingshastigheden af ​​DNA-nanostrukturer kan være meget langsom, og afhænger stærkt af temperaturen. Ved at hæve temperaturen øges denne hastighed, men temperaturer, der er for høje, kan få DNA-strukturerne til at falde fra hinanden. Opløsningsmiddelsystemet udviklet hos Georgia Tech tilføjer et nyt niveau af kontrol over DNA-samling. DNA-strukturer samles ved lavere temperaturer i dette opløsningsmiddel, og tilsætning af vand kan justere opløsningsmidlets viskositet, hvilket giver mulighed for hurtigere montering sammenlignet med den vandfri version af opløsningsmidlet.

"Dette opløsningsmiddel ændrer reglerne, " sagde Isaac Gállego, en postdoc-forsker i Huds laboratorium og avisens første forfatter. "Vi har nu et værktøj, der styrer DNA-samlingskinetik og termodynamik i ét opløsningsmiddel. Dette opløsningsmiddel tilbyder også forbedrede egenskaber for nanoteknologi og for stabiliteten af ​​disse nanomaterialer i opløsning."

Gállego havde arbejdet med DNA-nanoteknologi, før han kom til Georgia Tech, og var overbevist om, at alternative opløsningsmidler kunne fremme dette felt. Hos Georgia Tech evaluerede han nye opløsningsmidler til brug med DNA-nanostrukturer, opløsningsmidler, der var designet til andre formål. Et opløsningsmiddel han testede, kaldet glycolin, der er en blanding af glycerol og cholinchlorid, tillod en todimensionel DNA-origami-struktur at samle sig på seks dage ved en temperatur på 20 grader Celsius.

Ikke alene samlede glycolinen DNA-strukturen ved en relativt lav temperatur, men det undgik også "kinetiske fælder, "mellemstrukturer, der er stabile, men ikke den ønskede struktur, sagde Gallego. Strukturer, der ikke kan samles fuldstændigt, er en vigtig kilde til lave udbytter i DNA-nanofabrikationsprocessen.

"Dette opløsningsmiddel kunne give et nyt værktøj til at lave mere komplicerede designs med DNA, fordi du kan undgå at fange disse komplekse strukturer på mellemliggende trin, " tilføjede han. "Kinetiske fælder er blandt flaskehalsene for at producere mere komplicerede DNA-nanostrukturer."

Glycholin er blandbar med vand, så det kan blandes i ethvert forhold med vand for at kontrollere kinetikken i samlingsprocessen. For eksempel, en struktur, der samles på seks dage i rent opløsningsmiddel, samles på tre timer i en glycolinopløsning indeholdende 10 procent vand. En nøglefunktion ved det nye opløsningsmiddelsystem er, at det ikke kræver ændringer af eksisterende DNA-nanoteknologidesign, der er udviklet til vand.

"Du kan gå frem og tilbage mellem hydreret og ikke-hydreret tilstand, " sagde Gállego. "Dette opløsningsmiddelsystem bevarer de DNA-strukturer, der er udviklet til at fungere i vand."

Opløsningsmiddelsystemet kunne forbedre den kombinerede brug af metalliske nanopartikler og DNA-baserede materialer. I de typiske vandige opløsningsmidler, hvor der udføres DNA-nanoteknologi, nanopartikler er tilbøjelige til at aggregere. Opløsningsmidlets lave flygtighed kunne også tillade opbevaring af samlede DNA-strukturer uden bekymring for, at et vandbaseret medium ville tørre ud.

Forskerholdet, som også omfattede Martha Grover fra Georgia Tech's School of Chemical &Biomolecular Engineering, har hidtil brugt opløsningsmidlet til at samle tre strukturer, inklusive to DNA-origami-strukturer. I det fremtidige arbejde, de håber at bruge kontrollen fra vandfri opløsningsmidler til at opnå dynamiske DNA-strukturelle omlejringer, som ikke er mulige i vand, og undersøge andre opløsningsmidler, der kan have yderligere egenskaber, der er attraktive for nanoteknologiske anvendelser.

"Vi var hele tiden sikre på, at vi ville finde et opløsningsmiddel, der ville være kompatibelt med eksisterende DNA-nanoteknologi, " tilføjede Hud, som også er direktør for NSF-NASA Center for Chemical Evolution og associeret direktør for Parker H. Petit Institute of Bioengineering and Bioscience, begge på Georgia Tech. "Det, der var overraskende, var at finde et opløsningsmiddel, der gør det lettere at samle strukturer end i vand. Det var fuldstændig uventet, fordi DNA-nanoteknologi blev udviklet i vand."

Forskningen i vandfri opløsningsmidler er vokset ud af Georgia Tech forskning i livets oprindelse. Hud og kolleger havde spekuleret på, om de molekyler, der var nødvendige for livet, såsom forfaderen til DNA, kunne have udviklet sig i en vandfri løsning. I nogle tilfælde, han bemærkede, den kemi, der er nødvendig for at lave livets molekyler, ville være meget lettere uden vand tilstede.

"Dette arbejde var inspireret af forskning i livets oprindelse med det grundlæggende spørgsmål om, hvorvidt komplekse DNA-strukturer kunne eksistere i ikke-vandige opløsningsmidler, og vi viste, at de kan, " sagde Hud. "Og det, vi har fundet ud af at arbejde med disse nye opløsningsmidler, kunne hjælpe med at besvare nogle spørgsmål om livets oprindelse, samtidig med, at de har applikationer inden for nanoteknologi."