Skiftbare DNA-minimaskiner gemmer information

Biomedicinske ingeniører har bygget simple maskiner ud af DNA, bestående af arrays, hvis enheder skifter reversibelt mellem to forskellige former.

Arrays' opfindere siger, at de kunne udnyttes til at lave nanoteknologiske sensorer eller forstærkere. Potentielt, de kunne kombineres til at danne logiske porte, delene af en molekylær computer.

Arrayernes egenskaber er planlagt til offentliggørelse online af Videnskab .

DNA-maskinerne kan videresende diskrete informationsbidder gennem rummet eller forstærke et signal, siger seniorforfatter Yonggang Ke, PhD, en assisterende professor i Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering ved Georgia Tech and Emory.

"Inden for DNA-baseret databehandling, DNA'et indeholder oplysningerne, men molekylerne flyder rundt i opløsning, "Ke siger. "Det nye her er, at vi forbinder delene sammen i en fysisk maskine."

Tilsvarende flere laboratorier har allerede lavet nanoteknologiske maskiner som pincet og rollatorer ud af DNA. Ke siger, at hans teams arbejde med DNA-arrays kaster lys over, hvordan man bygger strukturer med mere komplekse, dynamisk adfærd.

Arrays' strukturer ligner harmonika-stil optrækkelige sikkerhedsporte. Forlængelse eller sammentrækning af en enhed skubber nærliggende enheder til også at ændre form, fungerer som en domino-kaskade, hvis fliser er forbundet.

Arrays' enheder får deres stabilitet fra den energi, der opnås, når DNA-dobbeltspiraler stables op. For at være stabil, enhedernes fire segmenter kan justeres som par side om side i to forskellige orienteringer. Ved at udelade en streng af DNA'et ved kanten af ​​et array, ingeniørerne skaber en ekstern trigger. Når den streng tilføjes, det klemmer kantenheden til at ændre form (se illustration).

For at visualisere DNA-arrays, ingeniørerne brugte atomkraftmikroskopi. De byggede rektangulære 11x4 og 11x7 arrays, tilføjede triggerstrenge og kunne observere kaskaden forplante sig fra hjørneenheden til resten af ​​arrayet.

Arrayernes kaskader kan stoppes eller genoptages på udvalgte steder ved at designe brudpunkter i arrayerne. Enhedernes formomdannelser moduleres af temperatur eller kemiske denatureringsmidler.

Til reference, de rektangulære arrays er omkring 50 nanometer brede og nogle få hundrede nanometer lange - lidt mindre end en HIV- eller influenzavirion.

For at bygge DNA-array-strukturerne, ingeniørerne brugte både origami (foldning af en lang "stillads"-streng med hundredvis af "hæfte"-strenge) og modulære murstenstilgange. Begge typer arrays samler sig selv gennem DNA-strenge, der finder deres komplementære strenge i opløsning. Origami-tilgangen førte til mere stabile strukturer under forhold med forhøjet temperatur eller denatureringsmiddel.

I den Videnskab papir, ingeniørerne viste, at de kunne bygge rektangler og rør af array-enheder. De inkluderer også en kuboid, der har tre grundlæggende konformationer, mere end de todimensionelle array-enheder med to konformationer. Ke siger, at hans team arbejder på større, mere komplekse maskiner med tredimensionelle former, som kan laves efter de samme grundlæggende designprincipper.