Automatisering af DNA-origami åbner døren til mange nye anvendelser

Forskere kan bygge komplekse, nanometerskala strukturer af næsten enhver form og form, ved hjælp af DNA-strenge. Men disse partikler skal designes i hånden, i en kompleks og besværlig proces.

Dette har begrænset teknikken, kendt som DNA origami, til kun en lille gruppe eksperter på området.

Nu har et team af forskere ved MIT og andre steder udviklet en algoritme, der kan bygge disse DNA-nanopartikler automatisk.

På denne måde algoritmen, som er rapporteret sammen med en ny syntesetilgang i tidsskriftet Videnskab denne uge, kunne tillade teknikken at blive brugt til at udvikle nanopartikler til en meget bredere vifte af applikationer, herunder stilladser til vacciner, bærere til genredigeringsværktøjer, og i arkivlager.

I modsætning til traditionel DNA-origami, hvor strukturen bygges op manuelt i hånden, algoritmen starter med en simpel, 3-D geometrisk repræsentation af objektets endelige form, og beslutter derefter, hvordan det skal samles fra DNA, ifølge Mark Bathe, lektor i biologisk teknik ved MIT, der ledede forskningen.

"Avisen vender problemet fra et problem, hvor en ekspert designer det DNA, der er nødvendigt for at syntetisere objektet, til en, hvor selve objektet er udgangspunktet, med de DNA -sekvenser, der er nødvendige automatisk defineret af algoritmen, " siger Bathe. "Vores håb er, at denne automatisering i væsentlig grad udvider andres deltagelse i brugen af ​​dette kraftfulde molekylære designparadigme."

Algoritmen repræsenterer først objektet som en perfekt glat, kontinuert omrids af dens overflade. Det bryder derefter overfladen op i en række polygonale former.

Næste, den kører lang, enkelt DNA-streng, kaldet stilladset, der virker som et stykke tråd, gennem hele strukturen for at holde det sammen.

Algoritmen væver stilladset i ét hurtigt og effektivt trin, som kan bruges til enhver form for 3D-objekt, siger Bade.

"Det [trin] er en stærk del af algoritmen, fordi det ikke kræver nogen manuel eller menneskelig grænseflade, og det er garanteret at arbejde meget effektivt for ethvert 3D-objekt, " han siger.

Algoritmen, som er kendt som DAEDALUS (DNA Origami Sequence Design Algorithm for User-defined Structures) efter den græske håndværker og kunstner, der designede labyrinter, der ligner origamis komplekse stilladsstrukturer, kan bygge enhver form for 3D-form, forudsat at den har en lukket overflade. Dette kan omfatte figurer med et eller flere huller, såsom en torus.

I modsætning, en tidligere algoritme, udgivet sidste år i tidsskriftet Natur , er kun i stand til at designe og bygge overflader af sfæriske genstande, og selv da stadig kræver manuel indgriben.

Holdets strategi i at designe og syntetisere DNA-nanopartiklerne blev også valideret ved hjælp af 3-D kryo-elektronmikroskopi rekonstruktioner af Bathes samarbejdspartner, Wah Chiu på Baylor College of Medicine.

Forskerne undersøger nu en række anvendelser for DNA-nanopartiklerne bygget af DAEDALUS-algoritmen. En sådan anvendelse er et stillads til virale peptider og proteiner til anvendelse som vacciner.

Overfladen af ​​nanopartiklerne kunne designes med enhver kombination af peptider og proteiner, placeret på et hvilket som helst ønsket sted på strukturen, for at efterligne den måde, hvorpå en virus optræder for kroppens immunsystem.

Forskerne viste, at DNA-nanopartiklerne er stabile i mere end seks timer i serum, og forsøger nu at øge deres stabilitet yderligere.

Nanopartiklerne kunne også bruges til at indkapsle CRISPR-Cas9-genredigeringsværktøjet. CRISPR-Cas9-værktøjet har et enormt potentiale inden for terapi, takket være dens evne til at redigere målrettede gener. Imidlertid, der er et betydeligt behov for at udvikle teknikker til at pakke værktøjet og levere det til specifikke celler i kroppen, siger Bade.

Dette gøres i øjeblikket ved hjælp af virus, men disse er begrænsede i størrelsen af ​​pakken, de kan bære, begrænse deres brug. DNA-nanopartiklerne, i modsætning, er i stand til at bære meget større genpakker og kan let udstyres med molekyler, der hjælper med at målrette mod de rigtige celler eller væv.

Holdet undersøger også brugen af ​​nanopartiklerne som DNA-hukommelsesblokke. Tidligere forskning har vist, at information kan lagres i DNA, på samme måde som 0'erne og 1'erne, der bruges til at lagre data digitalt. Informationen, der skal lagres, "skrives" ved hjælp af DNA-syntese og kan derefter læses tilbage ved hjælp af DNA-sekventeringsteknologi.

Ved hjælp af DNA -nanopartiklerne ville disse oplysninger kunne gemmes på en struktureret og beskyttet måde, med hver partikel beslægtet med en side eller et kapitel i en bog. At genkalde et bestemt kapitel eller en bog ville så være lige så simpelt som at læse nanopartikelens identitet, lidt ligesom at bruge bibliotekskort, siger Bade.

Det mest spændende ved arbejdet, imidlertid, er, at det skal udvide deltagelsen i anvendelsen af ​​denne teknologi betydeligt, Bade siger, meget ligesom 3-D-print har gjort for komplekse 3-D geometriske modeller i makroskopisk skala.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.