Ingeniører laver muskler i nanoskala drevet af DNA

Baseparrene fundet i DNA er nøglen til dets evne til at lagre proteinkodende information, men de giver også molekylet nyttige strukturelle egenskaber. At få to komplementære DNA-strenge til at lyne op i en dobbelt helix kan tjene som grundlag for indviklede fysiske mekanismer, der kan skubbe og trække molekylære enheder.

Ingeniører ved University of Pennsylvania har udviklet nanoskala "muskler", der arbejder efter dette princip. Ved omhyggeligt at inkorporere strenge af tilpasset DNA i forskellige lag af fleksible film, de kan tvinge de film til at bøje sig, krølle og endda vende om ved at introducere den rigtige DNA-cue. De kunne også vende disse ændringer ved hjælp af forskellige DNA-signaler.

En dag, bøjningen af ​​disse muskler kunne bruges i diagnostiske apparater, i stand til at signalere ændringer i genekspression inde fra celler.

Forskerne demonstrerede dette system i en undersøgelse offentliggjort i Natur nanoteknologi .

Undersøgelsen blev ledet af John C. Crocker og Daeyeon Lee, professorer i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved Penns School of Engineering and Applied Science, sammen med Tae Soup Shim, som dengang var post-doc associeret i begge forskergrupper. David Chenoweth, en assisterende professor i kemi ved Penn's School of Arts &Sciences, og So-Jung Park, professor ved Institut for Kemi og Nanovidenskab ved Ewha Womans University, Seoul, også bidraget til undersøgelsen. Andre Penn medforfattere omfatter Zaki G. Estephan, Zhaoxia Qian, Jacob H. Prosser og Su Yeon Lee, kandidatstuderende og postdoc-forskere i afdelingerne for Kemi og Biomolekylær Teknik, Materialevidenskab og teknik og kemi.

Musklerne i nanoskalaen i undersøgelsen består af guld nanopartikler, som er forbundet med hinanden med enkeltstrenget DNA. Forskerne byggede filmene op lag for lag, at introducere forskellige sæt af DNA-bundne nanopartikler i forskellige dybder. Hvert sæt af nanopartikler indeholdt links med forskellige sekvenser.

"Sådan aktiveringen fungerer, Crocker sagde, "er, at vi tilføjer enkeltstrenget DNA, der er komplementært til en del af broerne mellem partiklerne. Når det DNA diffunderer ind, det gør netop disse broer til dobbeltstrengede DNA-spiraler."

Fordi den specifikke sekvens af det tilføjede DNA er skræddersyet til at matche forskellige sæt af nanopartikelbroer, forskerne kunne målrette mod individuelle lag af filmen, danner dobbeltstrengede broer i netop disse lag.

Denne mekanisme var afgørende for at få filmene til at bøje sig, da enkeltstrengede og dobbeltstrengede broer har forskellige længder.

"Det sker sådan, at dobbeltstrengede DNA'er er længere end enkeltstrengede DNA'er med det samme antal baser, Crocker sagde, "så når den tilføjede streng binder, broen bliver lidt længere og materialet udvider sig. Hvis kun et lag af filmen udvider sig, filmen krøller."

Forskerne designet også en måde at vende broerne tilbage til deres originale, enkeltstrenget tilstand, fortryder denne krølle. De tråde, der giver curling-cue, har også et "håndtag", der ikke binder sig til broerne. Træk i dette håndtag adskiller den dobbelte helix, som det tilføjede DNA danner.

"Vi laver den streng, vi tilføjede for at udvide broerne, lidt længere, end den behøver at være, " sagde Crocker. "Efter at den danner en dobbelt helix med broen, der er yderligere 7 baser af rester af enkeltstrenget DNA, der dingler til siden af ​​broen. For at vende processen, vi tilføjer en 'stripper'-streng, der er komplementær til 'expander'-strengen og det ekstra dinglende 'håndtag'. Det hybridiserer faktisk til det dinglende håndtag, og trækker derefter ekspanderstrengen af ​​broen, danner en dobbelt helix i opløsning, der flyder væk, lader broen gå tilbage til sin kortere, enkeltstrenget form."

At få filmene til at krølle eller vende helt om er blot et proof-of-concept for nu, men denne muskellignende bøjelige adfærd kunne have et væld af anvendelser på nanoskala.

At være i stand til at reagere på en signal og fuldstændig ignorere den anden - umuligt for systemer, der bøjer sig baseret på temperatur- eller surhedsændringer - er afgørende for deres evne til at fungere som diagnostiske enheder.

"En 'langt ude'-applikation, vi har tænkt på, er i intracellulære situationer, hvor vi ikke ligefrem kan kontrollere tingene med ledninger eller trådløst udstyr, sagde Crocker. "Vi kunne lave en enhed, der absorberer eller reflekterer en vis bølgelængde af lys baseret på afstanden mellem dets indre lag, og vi kunne så ændre den afstand ved hjælp af et kemisk signal. Dette signal kunne være et messenger-RNA, så enheden giver en enkeltcellet genekspressionsudlæsning. Disse intracellulære enheder kunne aflæses under et mikroskop, eller inde i kroppen ved hjælp af infrarød billeddannelse."