Spaghetti-lignende, DNA noodle origami den nye form for ting, der kommer til nanoteknologi

I de sidste par årtier, videnskabsmænd er blevet inspireret af livets plan, DNA, som formen på de kommende ting for nanoteknologi.

Dette spirende felt kaldes DNA-origami. Videnskabsmand lånte dens navn fra papirkunstnerne, der fremtryller fugle, blomster og flyver fra fantasifuldt at folde et enkelt ark papir.

Tilsvarende DNA-origami-forskere drømmer om en række forskellige former - i en skala, der er tusind gange mindre end et menneskehår - som de håber en dag vil revolutionere computeren, elektronik og medicin.

Nu, et hold af forskere fra Arizona State og Harvard har opfundet et stort nyt fremskridt inden for DNA-nanoteknologi. Døbt "enkeltstrenget origami, "deres nye strategi bruger en lang, tynd nudellignende DNA-streng, eller dets kemiske fætter RNA, der kan selvfolde - uden en eneste knude - til den største, mest komplekse strukturer til dato.

Og, strengene, der danner disse strukturer, kan laves inde i levende celler eller ved hjælp af enzymer i et reagensglas, giver videnskabsfolk mulighed for at plug-and-play med nye designs og funktioner til nanomedicin - som små, nanobots, der leger læge og leverer stoffer i celler til skadestedet.

"Jeg synes, det er et spændende gennembrud, og en fantastisk mulighed for syntetisk biologi også, " sagde Hao Yan, en medopfinder af teknologien, direktør for ASU Biodesign Institutes Center for Molekylær Design og Biomimetik, og Milton Glick-professoren på School of Molecular Sciences.

"Vi er altid inspireret af naturens designs til at lave informationsbærende molekyler, der selv kan foldes ind i de nanoskalaformer, vi ønsker at lave, "

Som proof of concept, de har skubbet på konvolutten for at lave Emoji-lignende smiley ansigter, hjerter, trekantsformer—-18 former i alt—- der markant udvider designstudiepladsen og materialets skalerbarhed for såkaldte, "bottom-up" nanoteknologi.

Størrelse betyder noget

Til dato, DNA-nanoteknologiforskere har måttet stole på to hovedmetoder til at lave rumligt adresserbare strukturer med endelige dimensioner.

Den første var molekylære mursten, lille, korte stykker DNA, der kan foldes sammen til en enkelt struktur. Den anden metode var stilladseret DNA, hvor en enkelt streng formes til en struktur ved hjælp af hjælpestrenge af DNA, som hæfter strukturen på plads.

"Disse to metoder er ikke særlig skalerbare med hensyn til syntese, " sagde Fei Zhang, en senior medforfatter på papiret. "Når man har så mange korte stykker DNA, du kan ikke replikere det ved hjælp af biologiske systemer. En måde at undgå dette på er at konstruere en lang tråd, der kan folde sig ind i ethvert design eller arkitektur."

Desuden, hver metode er blevet begrænset, fordi efterhånden som strukturens størrelse øges, evnen til at folde korrekt bliver mere udfordrende.

Nu, der er en ny tredje vej.

For at Yan og hans team skal få deres gennembrud, de skulle tilbage til tegnebrættet, hvilket betød at se på naturen igen for at få inspiration. De fandt, hvad de ledte efter, med en kemisk fætter til DNA, i form af kompleks, RNA strukturer.

De komplekse RNA-strukturer, der er opdaget til dato, indeholder enkeltstrengede RNA-molekyler, der selvfolder til strukturer uden topologiske knuder. Kunne dette trick fungere igen for enkeltstrenget DNA eller RNA origami?

De var i stand til at knække koden for, hvordan RNA laver strukturer for at udvikle en fuldt programmerbar enkeltstrenget origami-arkitektur.

"Nøgleinnovationen i vores undersøgelse er at bruge DNA og RNA til at konstruere en strukturelt kompleks, men knudefri struktur, der kan foldes glat fra en enkelt streng, " sagde Yan. "Dette gav os en designstrategi, der giver os mulighed for at folde en lang tråd til kompleks arkitektur."

"Med hjælp fra en datalog i teamet, vi kunne også kodificere designprocessen som en matematisk stringent formel algoritme og automatisere designet ved at udvikle et brugervenligt softwareværktøj, " sagde Yan.

Algoritmen og softwaren blev valideret ved det automatiserede design og eksperimentelle konstruktion af seks forskellige DNA ssOrigami-strukturer (fire romber og to hjerteformer).

Form og funktion

Det er én ting at lave smarte mønstre og smiley ansigter med DNA, men kritikere af DNA-origami har undret sig over, hvornår de praktiske anvendelser ville komme i stand.

Nu, disse er mulige. "Jeg tror, ​​vi er meget tættere på reelle praktiske anvendelser af teknologien, " sagde Yan. "Vi ser aktivt på de første nanomedicinske applikationer med vores ssOrigami-teknologi."

De var også i stand til at demonstrere, at en foldet ssOrigami-struktur kan smeltes og bruges som skabelon til amplifikation ved DNA-kopiering af enzymer i et reagensglas, og at ssOrigami-strengen kan replikeres og amplificeres via klonal produktion i levende celler.

"Enkeltstrengede DNA-nanostrukturer dannet via selvfoldning giver større potentiale for at være amplificerbare, replikerbar, og klones, og dermed muligheden for omkostningseffektive, produktion i stor skala ved hjælp af enzymatisk og biologisk replikation, samt muligheden for at bruge in vitro evolution til at producere sofistikerede fænotyper og funktionaliteter, " sagde Yan.

De samme designregler kunne bruges til DNA's kemiske fætter, RNA.

Et centralt designtræk ved enkeltstrenget origami (ssOrigami) er, at strengen kan laves og kopieres i laboratoriet og i levende celler og efterfølgende foldes til designerstrukturer ved at opvarme og afkøle DNA'et.

For at gøre det inde i laboratoriet, de brugte kopimaskinen til kloningssekvenser, kaldet PCR, at replikere og producere ssDNA.

Inde i levende celler, de placerede det først inde i et muldyr af molekylær kloning, kaldet et plasmid, efter at det blev anbragt i en almindelig laboratoriebakterie kaldet E. coli-celler. Da de behandlede bakterierne med enzymer for at frigøre ssDNA, de kunne isolere det, og fold den derefter ind i dens målstruktur.

"Fordi plasmid-DNA nemt kan replikeres i E. coli, produktionen kan opskaleres ved at dyrke en stor mængde E. coli-celler med lave omkostninger, " sagde Yan. Dette kommer uden om begrænsningen med at skulle syntetisere alt DNA i laboratoriet fra bunden, hvilket er langt dyrere.

Det bevæger dem også i en retning nu, hvor de potentielt kan lave strukturerne inde i celler.

"Her viser vi bakterier til at lave strengen, men stadig nødt til at udføre termisk annealing uden for bakterierne for at danne strukturen, " sagde Yan. "Den ideelle situation ville være at designe en RNA-sekvens, der kan blive transskriberet inde i bakterierne, og fold inde i bakterierne, så vi kan bruge bakterier som en nanofabrik til at producere materialet."

Her, de demonstrerede en ramme til at designe og syntetisere en enkelt DNA- eller RNA-streng for effektivt at selvfolde til en uknyttet kompakt ssOrigami-struktur, der tilnærmer sig enhver vilkårlig bruger-ordineret målform.

"Dens enkeltstrengethed muliggjorde demonstrationen af ​​let replikation af strengen in vitro og i levende celler, og dens programmerbarhed gjorde det muligt for os at kodificere designprocessen og udvikle et simpelt webbaseret automatiseret designværktøj."

En ny designskole

I softwaren (se http://dna.kwonan.com/), lavet gennem et samarbejde med BioNano Research Group, Autodesk Research, først, brugeren vælger en målform, som konverteres til pixeleret repræsentation. Brugeren kan uploade et 2D-billede eller tegne en form ved hjælp af en 2D-pixeldesigneditor.

Brugeren kan eventuelt tilføje DNA-hårnåle eller løkker, som kan tjene som overflademarkører eller håndtag til fastgørelse af eksterne enheder. Pixels omdannes til DNA-spiralformede domæner og låsedomæner for at udføre foldningen. Softwaren vil derefter generere ssOrigami strukturer og sekvenser, og brugeren kan se den molekylære struktur via en indlejret molekylær fremviser. Endelig, DNA-sekvensen er tildelt cyklusstrengen, og den forventede foldede struktur fremstillet i laboratoriet og visuelt bekræftet ved at se den under et kraftigt mikroskop, der er nanoteknologiens øjne, atomkraftmikroskopi, eller AFM.

"Vi har virkelig skaleret kompleksiteten op og samtidig skaleret omkostningerne ned, " sagde Yan. "Denne undersøgelse udvider designrummet og skalerbarheden markant for bottom-up nanoteknologi, og åbner døren for sundhedsapplikationer."