DNA-klodser muliggør selvsamling af 3-D nanostrukturer fra 10, 000 unikke komponenter

DNA, findes i næsten alle celler, bliver i stigende grad brugt som byggemateriale til at konstruere små, men sofistikerede strukturer såsom autonome 'DNA-vandrere', der kan bevæge sig langs en mikropartikeloverflade, fluorescerende etiketter til diagnostiske applikationer, 'DNA-bokse', der fungerer som smarte lægemiddelleverancer, programmeret til at åbne op på sygdomssteder for at frigive deres terapeutiske indhold, eller programmerbare fabrikker til nanopartikler af definerede størrelser og former til nye optiske og elektroniske applikationer.

For at imødekomme disse funktioner, forskere ved Harvard's Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering og rundt om i verden har udviklet måder, der tillader DNA-strenge at samle sig selv til stadig mere komplekse 3-D-strukturer såsom stilladserede DNA-origamier. DNA origamier, imidlertid, er begrænsede i deres størrelser, fordi de er afhængige af tilgængeligheden af ​​stilladsstrenge, som kan være svære at fremstille og manipulere. I 2012 Peng Yin og hans team på Wyss Institute præsenterede en alternativ metode i Natur (2-D) og Videnskab (3-D), der er baseret på DNA-klodser, som ikke bruger et stillads, men derimod er i stand til at forbinde som sammenlåsende legoklodser og derved selv samles til strukturer i origamistørrelse med foreskrevne former.

Som rapporteret i Natur , holdet sprang over deres teknologi med to størrelsesordener, gør det muligt for næste generations DNA-klodser at samle sig selv til tredimensionelle nanostrukturer, der er 100 gange mere komplekse end dem, der er skabt med eksisterende metoder. DNA-origami og første generations DNA-klodser samles selv af hundredvis af unikke komponenter for at producere nanostrukturer på MegaDalton-skalaen, der henviser til, at den nye DNA-klodser-tilgang tillader 10, 000 komponenter til selvmontering til strukturer i GigaDalton-størrelse (1 GigaDalton er lig med 1000 MegaDalton eller 1 milliard Dalton). Undersøgelsen giver brugervenlige beregningsværktøjer til at designe DNA-nanostrukturer med komplekse hulrum (og muligvis overflader), der har potentiale til at fungere som bygningskomponenter i adskillige nanoteknologiske anvendelser inden for medicin og teknik.

"Princippet og de lovende egenskaber af vores første generations DNA-klodser fik os til at spørge, om vi kan forbedre systemet til at opnå væsentligt mere komplekse nanostrukturer med meget højere udbytter i en-pot-montagereaktioner. Her lykkedes det at gøre alt dette. Vi arbejdede ud af en let tilgængelig praktisk platform, der giver forskere med meget forskellige interesser og applikationer i tankerne mulighed for at skabe et molekylært lærred med 10, 000 klodser og bruge det til at bygge nanostrukturer med hidtil uset kompleksitet og potentiale, " sagde den tilsvarende forfatter Yin, Ph.D., hvem er Wyss Institute Core Faculty-medlem, medleder af instituttets Molecular Robotics Initiative, og professor i systembiologi ved Harvard Medical School.

DNA mursten teknologi er baseret på den stabile og meget programmerbare natur af DNA. En enkelt DNA-klods er en kort streng af syntetisk DNA, der består af en foruddefineret sekvens af de fire universelle nukleotidbaser:adenin (A), cytosin (C), guanin (G), og thymin (T). Wyss Institutes forskere skaber store 3-D nanostrukturer ved at blande forskellige mursten, hver bærer sin egen unikke sekvens af nukleotider, der er designet til at passe og binde til et komplementært domæne af nukleotidbaser i en anden mursten, så de kan samles selv. I teknologiens nye version, ved at variere længden af ​​individuelle bindingsdomæner inden for klodserne, holdet endte med en væsentligt øget diversitet blandt mulige klodser, ud over, binde meget stærkere til hinanden. Undersøgelsen udviklede også en brugervenlig computersoftware, så designere blot kan indtaste en påkrævet 3-D-form og automatisk modtage en liste over DNA-klodssekvenser, der kan syntetiseres og bruges til at danne den ønskede struktur.

"Vi demonstrerede vores teknologis evner ved at konstruere massive cuboider indeholdende op til 30, 000 klodser og viste nogle få eksemplariske former, der kan bygges ud fra delmængder af disse klodser. Det er bemærkelsesværdigt, at murstenene var i stand til at skelne mellem titusindvis af potentielle partnere for at finde deres rigtige naboer, og det var spændende at se, at DNA-klodsteknikken kunne bruges til at danne ret komplekse hulrum såsom en bamse, ordet 'KÆRLIGHED' eller en Möbius-strimmel, blandt mange andre, " sagde førsteforfatter Luvena Ong, Ph.D., en tidligere kandidatstuderende i Yins laboratorium og nu forskningsforsker ved Bristol-Myers Squibb.

Yins team samarbejdede med forskere ved det nationale center for videnskabelig forskning (CNRS) og det franske nationale institut for sundhed og medicinsk forskning (INSERM) i Montpellier, Frankrig og Max Planck Institute of Biochemistry i München, Tyskland vil implementere en samling af avancerede mikroskopimetoder til at visualisere de designede hulrum i 3-D cuboids. "Kavitetsstrukturer sammensat af DNA-klodser er af stor interesse, da de giver mulighed for at designe nano-beholdere, hvori biomolekyler som proteiner kan placeres i meget definerede arrangementer for at studere deres interaktioner og udnytte deres aktiviteter, " sagde medkorresponderende forfatter Yonggang Ke, Ph.D., som udviklede den første DNA-murstensplatform med Yin som postdoc ved Wyss Institute, og er nu assisterende professor ved Georgia Institute of Technology og Emory University. Ke, arbejder sammen med sin kandidatstuderende Pengfei Wang, var medvirkende til at fremme teknologien til dens nye version. "Ved at tilføje funktionelle dele til DNA-klodser, der kan udføre samling og enzymatiske processer, de kan omdannes til kraftfulde værktøjer til kommercielle og biomedicinske nanofabrikationsprocesser i en ny skala, " sagde Ke. Forskerne mener, at i fremtiden, metoden kunne også bruges til at generere store nanostrukturer med skulpturelle og anvendelsesspecifikke ydre overflader.

"The way the multifaceted DNA bricks technology is evolving shows how the Wyss Institute's Molecular Robotics Initiative can reach deep into the field of DNA nanotechnology to enable new approaches that could solve many real world problems, " sagde Wyss Institutes stiftende direktør Donald Ingber, M.D., Ph.D., som også er Judah Folkman-professor i vaskulær biologi ved HMS og Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, samt professor i bioingeniør ved SEAS.