Billeddannelse af individuelle fleksible DNA-byggesten i 3-D

I løbet af det seneste årti, forskere har arbejdet på at skabe nanoskala materialer og enheder ved hjælp af DNA som byggematerialer gennem en proces kaldet "DNA origami."

En enkelt lang "stillads"-streng af DNA kan foldes til specifikke former med hundredvis af kortere strenge, for eksempel. Rækkefølgen af ​​baser i hver kort streng fungerer som en plan, der dikterer stilladsets DNA's endelige, 3-D form.

Forskere håber at kunne bruge denne metode til at udvikle molekylære enheder, der fungerer som maskiner i nanoskala eller medicinleveringsanordninger, markører til medicinsk billeddannelse eller biologisk forskning, og komponenter til elektroniske enheder.

Lange DNA-stilladser - sammensat af mere end 10, 000 DNA-strukturenheder kaldet "nukleotider" - har været vanskelige at fremstille og manipulere, hvilket hidtil har begrænset størrelsen af ​​origami-strukturer. Det har også vist sig vanskeligt at studere 3D-strukturen af ​​disse nanopartikler i deres naturlige, fleksibel tilstand.

Nu, for første gang, et team af forskere fra Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) og Ohio State University har genereret 3-D-billeder fra 129 individuelle molekyler af fleksible DNA-origami-partikler. Deres arbejde giver den første eksperimentelle verifikation af den teoretiske model for DNA-origami.

De metoder, der er brugt her, kan let anvendes på andre typer af fremstillede DNA-origami-strukturer, og hjælpe med at informere design og optimering af fremtidige strukturer. Deres arbejde blev for nylig udgivet i Naturkommunikation .

Forskerholdet fokuserede på DNA-strukturer modelleret efter en grundlæggende mekanisme kaldet en "Bennett-kobling, " som er en 3-D struktur bestående af en kæde af fire stænger forbundet med hængsler. Dette skaber en skæv firkantet form, hvor hængslerne ikke er parallelle eller på linje. Brug af Bennett-koblinger som byggeklodser, det er muligt at skabe udvidelige, nyttige strukturer, som understøtninger til telte, der hurtigt kan samles.

DNA origami strukturer er meget udfordrende at studere, fordi de er meget fleksible og sarte, og hvert molekyle har en unik 3D-form. Denne variabilitet gør konventionelle billeddannelsesmetoder, ligesom enkelt-partikel kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM), mindre egnet. Cryo-EM involverer omfattende computer "gennemsnit" fra tusinder til hundredtusinder af lignende molekyler. Som resultat, information om de fleksible dele af DNA-origami-strukturer kan let beregnes som et gennemsnit, giver et ufuldstændigt billede af strukturen.

Forskerne stolede på en teknik udviklet på Berkeley Labs Molecular Foundry, en forskningsfacilitet for videnskab i nanoskala, at afbilde de enkelte molekyler, der udgør disse strukturer. Metoden, kaldet individuel-partikel elektrontomografi (IPET), tager billeder af et målmolekyle fra flere betragtningsvinkler, og kombinerer derefter disse billeder for at skabe en 3-D, gengivelse af hele molekyler, svarende til, hvordan en medicinsk computertomografi (CT)-scanning fungerer.

Forskere fangede 129 3-D billeder, med en opløsning på 6 til 14 nanometer, som satte dem i stand til at drille information om dynamikken og fleksibiliteten af ​​DNA-origami-strukturer.

"Rekonstruktionerne bekræftede, at Bennett-forbindelser har en høj grad af strukturel diversitet, " sagde banden "Gary" Ren, stabsforsker ved Molecular Foundry's Imaging Facility og medleder af undersøgelsen.

En geometrisk analyse af disse rekonstruktioner viser, at konformationerne af Bennett-koblingsmekanismer er i god overensstemmelse med de teoretiske modeller. Når koblingerne er tæt på deres "åbne" tilstand, "hængslet" er næsten helt udstrakt. Når strukturerne er tættere på deres "lukkede" konformation, strukturerne antager forskellige former og er ekstremt fleksible og forvrængede.

"Baseret på disse resultater og modelvisualiseringerne af Bennett-forbindelserne, vi kan foreslå en ny strategi for at forbedre vores kontrol med Bennett-bindinger i store DNA-stilladser, " sagde Ren. "Tilgangen omfatter redesign af DNA-sekvenserne nær leddene for at stivne strukturen og forhindre den i at forvrænge nær dette led."