Programmerbar lidelse:Tilfældige algoritmer i molekylær skala

Mange selvorganiserede systemer i naturen udnytter en sofistikeret blanding af deterministiske og tilfældige processer. Ingen træer er nøjagtig ens, fordi væksten er tilfældig, men en Redwood kan let skelnes fra en Jacaranda, da de to arter følger forskellige genetiske programmer. Værdien af ​​tilfældighed i biologiske organismer er ikke fuldt ud forstået, men det er blevet antaget, at det giver mulighed for mindre genomstørrelser - fordi ikke alle detaljer skal kodes. Tilfældighed giver også den variation, der ligger til grund for adaptiv evolution.

I modsætning til biologi, teknik drager sjældent fordel af tilfældighedens kraft til at fremstille komplekse strukturer. Nu, en gruppe Caltech-forskere har demonstreret, at tilfældighed i molekylær selvsamling kan kombineres med deterministiske regler for at producere komplekse nanostrukturer ud af DNA.

Arbejdet, udført i laboratoriet for adjunkt i bioingeniør Lulu Qian, fremgår af bladet 28. november Naturnanoteknologi .

Levende ting bruger DNA til at gemme genetisk information, men DNA kan også bruges som en robust kemisk byggesten til molekylær teknik. De fire komplementære molekyler, der udgør DNA, kaldet nukleotider, bindes kun sammen på bestemte måder:As bindes med T'er, og G'er binder med C'er. I 2006, Paul Rothemund (BS '94), forskningsprofessor i bioingeniør, computing og matematiske videnskaber, og beregning og neurale systemer hos Caltech, opfandt en teknik kaldet DNA origami, der drager fordel af matchningen mellem lange tråde af DNA -nukleotider, fold dem ind i alt fra nanoskala-illustrationer til medicinleveringsenheder. De selvsamlede strukturer dannet gennem DNA-origami kan være funktionelle af sig selv, eller de kan bruges som skabeloner til at organisere andre funktionelle molekyler-såsom carbon nanorør, proteiner, metal nanopartikler, og organiske farvestoffer - med hidtil uset programmerbarhed og rumlig præcision.

Brug af DNA -origami som byggesten forskere har lavet større DNA -nanostrukturer, såsom periodiske arrays af origami -fliser. Imidlertid, fordi byggesten bare gentages overalt, kompleksiteten af ​​mønstre, der kan dannes på disse større strukturer, er ret begrænset. Helt deterministiske montageprocesser - styring af designet af hver enkelt flise og dens særlige position i arrayet - kan give anledning til komplekse mønstre, men disse processer skaleres ikke godt op. Omvendt hvis kun tilfældige processer er involveret, og arrayets globale funktioner ikke styres af designregler, det er umuligt at skabe komplekse mønstre med ønskede egenskaber uden samtidig at generere en stor brøkdel af uønskede molekyler, der går til spilde. Indtil arbejdet af Qian og hendes kolleger, Kombination af deterministiske processer med tilfældige processer var aldrig blevet systematisk undersøgt for at skabe komplekse DNA -nanostrukturer.

"Vi ledte efter molekylære selvsamlingsprincipper, der omfatter både deterministiske og tilfældige aspekter, "siger Qian." Vi udviklede et simpelt regelsæt, der tillader DNA -fliser at binde tilfældigt, men kun til bestemte kontrollerede mønstre. "

Fremgangsmåden indebærer at designe mønstre på individuelle fliser, modulering af forholdene mellem forskellige fliser, og bestemmelse af, hvilke fliser der kan binde sammen under selvsamling. Dette fører til storstilet nye funktioner med indstillelige statistiske egenskaber-et fænomen, forfatterne kalder "programmerbar lidelse".

"De strukturer, vi kan bygge, har programmerbart tilfældige aspekter, "siger Grigory Tikhomirov, en senior postdoktor i biologi og biologisk teknik, og hovedforfatter på papiret. "For eksempel, vi kan lave strukturer, der har linjer, der går tilsyneladende tilfældige veje, men vi kan sikre, at de aldrig skærer hinanden og altid til sidst lukker op i sløjfer. "

Ud over sløjfer, holdet valgte to andre eksempler, labyrinter og træer, at demonstrere, at mange ikke -private egenskaber ved disse strukturer kan styres af simple lokale regler. De fandt disse eksempler interessante, fordi loop, labyrint, og træstrukturer findes bredt i naturen på tværs af flere skalaer. For eksempel, lunger er træstrukturer på millimeter til centimeter skala, og neurale dendritter er træstrukturer ved mikrometer til millimeter skala. De kontrollerede egenskaber, som de viste, omfatter forgreningsregler, vækstretninger, nærheden mellem tilstødende netværk, og størrelsesfordelingen.

Gruppen blev først inspireret af de klassiske Truchet -fliser, som er firkantede fliser med to diagonalt symmetriske buer af DNA på overfladen. Der er to roterende asymmetriske orienteringer af buemønsteret. Tillader et tilfældigt valg af de to fliseretninger på hvert sted i arrayet, mønsteret vil fortsætte gennem tilstødende fliser, enten at blive loops i forskellige størrelser eller forlade en kant af arrayet.

For at oprette Truchet -arrays i molekylær skala, holdet brugte DNA origami-teknikken til at folde DNA til firkantede fliser og designede derefter interaktionerne mellem disse fliser for at tilskynde dem til selv at samle sig til store todimensionale arrays.

"Fordi alle molekyler støder ind i hinanden, mens de flyder rundt i et reagensglas under selve samlingsprocessen, interaktionerne skal være svage nok til at lade fliserne omarrangere sig selv og undgå at blive fanget i uønskede konfigurationer, "siger Philip Petersen, en kandidatstuderende i Qian-laboratoriet og co-førsteforfatter på papiret. "På den anden side, interaktionerne bør være specifikke nok, så de ønskede interaktioner er altid meget at foretrække frem for uønskede, falske interaktioner. "

Forskellige typer globale mønstre opstår, når fliser er markeret med forskellige lokale mønstre. For eksempel, hvis hver tilfældigt orienteret flise bærer et "T" frem for to buer, det globale mønster er en labyrint med grene og sløjfer frem for kun sløjfer. Hvis reglerne for selvsamling begrænser den mulige relative orientering af tilstødende "T" -fliser, det er muligt at sikre, at andet end en enkelt "rod, "grenene i labyrinterne lukker aldrig i løkker - producerer træer. For at udforske den fulde generalitet af disse principper, Qians team udviklede et programmeringssprog til tilfældige DNA -origami -fliser.

"Med dette programmeringssprog, designprocessen starter med en beskrivelse på højt niveau af fliser og arrays, som automatisk kan oversættes til abstrakte array -diagrammer og numeriske simuleringer, flytter derefter til DNA origami -flisedesign, herunder hvordan fliserne interagerer med hinanden på deres kanter. Endelig, vi designer DNA -sekvenser, "Qian siger." Med disse DNA -sekvenser, det er ligetil for forskere at bestille DNA -strengene, bland dem i et reagensglas, vente på, at molekylerne selv samler sig i de designede strukturer natten over, og få billeder af strukturer ved hjælp af et atomkraftmikroskop. "

Gruppens metode til programmerbar lidelse har forskellige fremtidige anvendelser. For eksempel, den kunne bruges til at bygge komplekse testmiljøer for stadig mere sofistikerede molekylære robotter-DNA-baserede nanoskala-maskiner, der kan bevæge sig på en overflade, afhente eller aflevere proteiner eller andre slags molekyler som last, og træffe beslutninger om navigation og handlinger.

"De potentielle applikationer er meget bredere, "Tilføjer Qian. Siden 1990'erne har tilfældige endimensionelle kæder af polymerer er blevet brugt til at revolutionere kemisk og materialesyntese, levering af medicin, og nukleinsyrekemi ved at oprette enorme kombinatoriske biblioteker med kandidatmolekyler og derefter vælge eller udvikle de bedste i laboratoriet. "Vores arbejde udvider det samme princip til todimensionale netværk af molekyler og skaber nu nye muligheder for at fremstille mere komplekse molekylære enheder organiseret af DNA-nanostrukturer, " hun siger.

Papiret har titlen "Programmerbar lidelse i tilfældige DNA -fliser."