3D-udskrifter på nanoskala ved hjælp af selvsamlende DNA-strukturer

En ny måde at lave 3D -nanostrukturer fra DNA er beskrevet i en undersøgelse offentliggjort i det anerkendte tidsskrift Natur . Undersøgelsen blev ledet af forskere ved Karolinska Institutet, som samarbejdede med en gruppe ved Finlands Aalto Universitet. Den nye teknik gør det muligt at syntetisere 3D DNA origami -strukturer, der også er i stand til at tolerere de lave saltkoncentrationer inde i kroppen, som åbner vejen for helt nye biologiske anvendelser af DNA-nanoteknologi. Designprocessen er også meget automatiseret, som muliggør skabelsen af ​​syntetiske DNA-nanostrukturer af bemærkelsesværdig kompleksitet.

Teamet bag undersøgelsen ligner den nye tilgang til en 3D -printer til nanoskala strukturer. Brugeren tegner den ønskede struktur, i form af et polygonobjekt, i 3D-software, der normalt bruges til computerstøttet design eller animation. Grafteoretiske algoritmer og optimeringsteknikker bruges derefter til at beregne de DNA-sekvenser, der er nødvendige for at producere strukturen.

Når de syntetiserede DNA-sekvenser kombineres i en saltopløsning, de samler sig i den rigtige struktur. En af de store fordele ved at bygge nanostrukturer ud af DNA er, at baserne binder til hinanden gennem baseparing på en forudsigelig måde.

"Denne nye metode gør det meget let at designe DNA -nanostrukturer og giver mere designfrihed, " siger studieleder Björn Högberg fra Institut for Medicinsk Biokemi og Biofysik på Karolinska Institutet. "Vi kan nu lave strukturer, der tidligere var umulige at designe, og vi kan gøre det på samme måde, som man kunne tegne en 3D-struktur til udskrivning i makroskopisk skala, men i stedet for at lave det af plastik, vi udskriver det i DNA på nanoskala."

Ved hjælp af denne teknik, holdet har bygget en bold, spiralformet, stang- og flaskeformet struktur, og en DNA-udskrift af den såkaldte Stanford Bunny, som er en almindelig testmodel for 3D-modellering. Udover at være enklere sammenlignet med tidligere måder at lave DNA-origami på, metoden – vigtigere – ikke kræver høje koncentrationer af magnesiumsalt.

"Til biologiske anvendelser, den mest afgørende forskel er, at vi nu kan skabe strukturer, der kan foldes ind, og forblive levedygtige i, fysiologiske saltkoncentrationer, der er mere egnede til biologiske anvendelser af DNA-nanostrukturer, " forklarer Dr. Högberg.

"En fordel ved den automatiserede designproces er, at man nu systematisk kan beskæftige sig med selv ret komplekse strukturer. Avancerede computermetoder vil sandsynligvis være en central muliggører i skaleringen af ​​DNA-nanoteknologi fra fundamentale studier til banebrydende applikationer, " siger professor Pekka Orponen, som ledede holdet på Aalto University Computer Science Department.

De mulige applikationer er mange. Holdet på Karolinska Institutet har tidligere lavet en DNA-nano-caliper, der bruges til at studere cellesignalering. Den nye teknik gør det muligt at udføre lignende biologiske eksperimenter på en måde, der endnu tættere ligner forhold i celler. DNA nanostrukturer er også blevet brugt til at fremstille målrettede kapsler i stand til at levere kræftlægemidler direkte til tumorceller, som kan reducere mængden af ​​nødvendige lægemidler.