Sjælden form:Nye strukturer bygget af DNA dukker op

DNA, livets molekylære grundlag, har nye tricks i ærmet. De fire baser, som den er sammensat af, klikker sammen som stiksavstykker og kan kunstigt manipuleres til at konstruere uendeligt varierede former i to og tre dimensioner. Teknikken, kendt som DNA origami, lover at bringe futuristisk mikroelektronik og biomedicinske innovationer på markedet.

Hao Yan, en forsker ved Arizona State University's Biodesign Institute, har arbejdet i mange år med at forfine teknikken. Hans mål er at komponere nye sæt designregler, enormt udvide rækken af ​​nanoskala arkitekturer genereret af metoden. I ny forskning, en række innovative nanoformer er beskrevet, hver viser en hidtil uset designkontrol.

Yan er Milton D. Glick Distinguished Chair of Chemistry and Biochemistry og leder Biodesigns Center for Molekylært Design og Biomimetik.

I den aktuelle undersøgelse, komplekse nano-former, der viser vilkårlige wireframe-arkitekturer, er blevet skabt, ved hjælp af et nyt sæt designregler. "Tidligere designmetoder brugte strategier, herunder parallelt arrangement af DNA-spiraler for at tilnærme vilkårlige former, men præcis finjustering af DNA-wireframe-arkitekturer, der forbinder hjørner i 3D-rum, har krævet en ny tilgang, " siger Yan.

Yan har længe været fascineret af naturens tilsyneladende grænseløse evne til designinnovation. Den nye undersøgelse beskriver wireframe-strukturer med høj kompleksitet og programmerbarhed, fremstillet gennem den præcise kontrol af forgrening og krumning, ved hjælp af nye organisatoriske principper for designs. (Wireframes er skelet-tredimensionelle modeller repræsenteret udelukkende gennem linjer og hjørner.)

De resulterende nanoformer inkluderer symmetriske gitter-arrays, kvasikrystallinske strukturer, krumlinjede arrays, og en simpel trådkunstskitse i 100-nm-skalaen, samt 3D-objekter, inklusive en snub-terning med 60 kanter og 24 hjørner og et rekonfigurerbart arkimedesk solidt stof, der kan styres til at lave udfoldnings- og genfoldningsovergangene mellem 3D og 2D.

Forskningen vises i den avancerede onlineudgave af tidsskriftet Natur nanoteknologi .

I tidligere undersøgelser, Yan-gruppen skabte subtile arkitektoniske former i en forbløffende lille skala, nogle måler kun titusinder af nanometer på tværs - omtrent diameteren af ​​en viruspartikel. Disse nanoobjekter omfatter sfærer, spiraler, kolber, Möbius former, og endda en autonom edderkoppelignende robot, der er i stand til at følge et forberedt DNA-spor.

Teknikken med DNA-origami udnytter DNA's simple baseparringsegenskaber, et molekyle bygget af de fire nukleotider adenin (A), Thymin (T) Cytosin (C) og (Guanin). Spillets regler er enkle:A'er parrer sig altid med T'er og C'er med G'er. Ved at bruge dette forkortede ordforråd, de utallige kropsplaner for alle levende organismer er konstrueret; selvom det har krævet stor opfindsomhed at kopiere selv naturens mere simple designs.

Den grundlæggende idé med DNA-origami er at bruge en længde enkeltstrenget DNA som et stillads for den ønskede form. Baseparring af komplementære nukleotider får formen til at folde og samle sig selv. Processen styres af tilføjelsen af ​​kortere "hæftestrenge, " som hjælper med at folde stilladset og holde den resulterende struktur sammen. Forskellige billedteknologier bruges til at observere de små strukturer, inklusive fluorescens-, elektron- og atomkraftmikroskopi.

Selvom DNA-origami oprindeligt producerede nanoarkitekturer af rent æstetisk interesse, forbedringer af teknikken har åbnet døren til en række spændende applikationer, herunder molekylære bure til indkapsling af molekyler, enzymimmobilisering og katalyse, kemiske og biologiske sensorværktøjer, lægemiddelleveringsmekanismer, og molekylære computerudstyr.

Teknikken beskrevet i den nye undersøgelse tager denne tilgang et skridt videre, giver forskere mulighed for at overvinde lokale symmetribegrænsninger, skabe wireframe-arkitekturer med højere ordens vilkårlighed og kompleksitet. Her, hvert linjesegment og toppunkt er individuelt designet og styret. Antallet af arme, der udgår fra hvert toppunkt, kan varieres fra 2 til 10, og de præcise vinkler mellem tilstødende arme kan ændres.

I den aktuelle undersøgelse, metoden blev først anvendt til symmetriske, regelmæssigt gentagelse af polygonale designs, inklusive sekskantet, kvadratiske og trekantede flisegeometrier. Sådanne almindelige designs er kendt som tessellationsmønstre.

En smart strategi, der involverede en række broer og sløjfer, blev brugt til at dirigere stilladsstrengen korrekt, lader det passere gennem hele strukturen, at røre alle linjer i wireframen én gang og kun én gang. Hæftetråde blev derefter påført for at fuldende designerne.

I de efterfølgende faser, forskerne skabte mere komplekse wireframe-strukturer, uden den lokale translationelle symmetri, der findes i tessellationsmønstrene. Tre sådanne mønstre blev lavet, inklusive en stjerneform, en 5-fold Penrose-flise og et 8-fold kvasikrystallinsk mønster. (Kvasikrystaller er strukturer, der er meget ordnede, men ikke-periodiske. Sådanne mønstre kan kontinuerligt fylde ledig plads, men er ikke translationelt symmetriske.) Løkkestrukturer indsat i korte tråde og uparrede nukleotider ved toppunkterne af stilladsstrengene blev også brugt, giver forskere mulighed for at udføre præcisionsændringer af vinklerne på krydsarme.

De nye designregler blev derefter testet med samlingen af ​​stadig mere komplekse nanostrukturer, involverer hjørner fra 2 til 10 arme, med mange forskellige vinkler og krumninger involveret, inklusive et komplekst mønster af fugle og blomster. Nøjagtigheden af ​​designet blev efterfølgende bekræftet af AFM-billeddannelse, beviser, at metoden med succes kunne give meget sofistikerede wireframe DNA-nanostrukturer.

Metoden blev derefter tilpasset til også at producere en række 3D-strukturer, inklusive et cuboctahedron, og et andet arkimedisk fast stof kendt som en snub cube - en struktur med 60 kanter, 24 hjørner og 38 ansigter, inklusive 6 firkanter og 32 ligesidede trekanter. Forfatterne understreger, at de beskrevne nye designinnovationer kan bruges til at komponere og konstruere enhver tænkelig wireframe-nanostruktur - et væsentligt fremskridt for det spirende felt.

I horisonten, nanoskala strukturer kan en dag blive marshaleret til at jage kræftceller i kroppen eller fungere som robot samlebånd til design af nye lægemidler.