Bygget til hastighed:DNA-nanomaskiner tager et (hurtigt) skridt fremad

Når det kommer til at matche enkelhed med svimlende kreativt potentiale, DNA kan være i besiddelse af prisen. Bygget ud fra et alfabet på kun fire nukleinsyrer, DNA giver grundplanen, hvorfra alt jordisk liv er konstrueret.

Men DNA's bemærkelsesværdige alsidighed slutter ikke der. Forskere har formået at lokke dele af DNA til at udføre en lang række nyttige tricks. DNA-sekvenser kan danne logiske kredsløb til nanoelektroniske applikationer. De er blevet brugt til at udføre sofistikerede matematiske beregninger, som at finde den optimale vej mellem flere byer. Og DNA er grundlaget for en ny race af bittesmå robotter og nanomaskiner. Måler tusindvis af gange mindre end en bakterie, sådanne enheder kan udføre en lang række opgaver.

I ny forskning, Hao Yan fra Arizona State University og hans kolleger beskriver en innovativ DNA-walker, i stand til hurtigt at krydse et forberedt spor. I stedet for langsomt, foreløbige skridt hen over en overflade, DNA-akrobatens vognhjul plader pladask, dækker jorden 10- til 100 gange hurtigere end tidligere enheder.

"Det er spændende at se, at DNA-vandrere kan øge deres hastighed betydeligt ved at optimere DNA-strengens længde og sekvenser, samarbejdet fik virkelig dette til at ske, " sagde Yan.

Yan er Milton D. Glick Distinguished Professor i kemi og biokemi ved ASU og direktør for Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics.

Undersøgelsen blev ledet af Nils G. Walter, Francis S. Collins kollegiale professor i kemi, Biofysik og biologisk kemi, stiftende direktør for Single Molecule Analysis in Real-Time (SMART) Center og stiftende meddirektør for Center for RNA Biomedicine ved University of Michigan, og hans hold, sammen med samarbejdspartnere fra Wyss Institute, Dana Farber Cancer Institute og Institut for Biologisk Kemi ved Harvard (alle i Boston, Massachusetts).

"Tricket var at få rollatoren til at gå pladask, som er så meget hurtigere end den hop, der blev brugt før – præcis som du ville se i en kung fu actionfilm, hvor helten accelererer ved at køre i vogne for at fange skurken, " siger Walter.

Forbedringerne i hastighed og bevægelse, som den nye rollator viser, bør tilskynde til yderligere innovationer inden for DNA-nanoteknologi.

Gruppens resultater vises i det avancerede onlinenummer af tidsskriftet Natur nanoteknologi .

Bygning med DNA

Nanoarkitekter bygger deres DNA-strukturer, motorer og kredsløb, der bruger samme grundprincip som naturen. De fire nukleotider, mærket A, T, C og G, binder til hinanden efter en simpel og forudsigelig regel:Cs parrer altid med Gs og Som altid parrer med Ts. Dermed, varierende længder af DNA kan programmeres til at samle sig selv, snapper sammen for at danne et ubegrænset udvalg af to- og 3-dimensionelle nanostrukturer. Med smart raffinement, forskere har været i stand til at udstyre deres engang statiske nano-kreationer med dynamiske egenskaber.

En af de mere innovative anvendelser af DNA-nanoteknologi har været designet af robot-gående anordninger sammensat af DNA-strenge, der successivt bevæger sig trinvist hen over en sti. Metoden, der gør det muligt for DNA-segmenter at spadsere hen over et defineret område, er kendt som strengforskydning.

Processen fungerer således:Det ene ben af ​​robotenheden er DNA-streng 1, som er bundet til komplementær streng 2, gennem normal baseparring. Strand 1 indeholder en yderligere, uparret sekvens dinglende fra dens ende, som er kendt som tågrebet.

Næste, DNA-streng 3 stødes på. Denne streng er komplementær til DNA-streng 1 og indbefatter en tåholdssekvens, der er komplementær til DNA-streng 1. Når tråden af ​​streng 3 binder sig til tråden i streng 1, det begynder sekventielt at fortrænge hver streng 2 nukleotid, en efter en, indtil streng 2 er blevet erstattet fuldstændig af streng 3. Strand 2 adskilles derefter fra streng 1, og processen kan begynde igen. (Se figur 1).

Tåholdsmedieret trådforskydning, som danner grundlaget for andre DNA-nanoenheder, tillader DNA-strukturer at bevæge sig fra et komplementært fodfæste på gangfladen til det næste. Da hver DNA-streng fortrænges af en ny streng, nano-væsenet tager et skridt fremad.

Race walking

Succesfulde DNA-walkers af forskellig art er blevet designet og har demonstreret evnen til at fragte last i nanostørrelse fra sted til sted. Indtil nu, imidlertid, de strengforskydningsreaktioner, de er afhængige af, har været langsomme, generally requiring several minutes to move a short distance. This is much slower than naturally occurring processes in living systems like protein motors, which can perform feats of dissociation similar to strand displacement in much faster time frames.

While theoretical calculations suggest that individual operations by such nanodevices should occur in seconds or less, i praksis, such operations typically require minutes or even hours. (A recently designed cargo-sorting walker for example required 5 minutes for each step, with foothold spacings just 6 nm apart. This speed was on a par with similar strand-displacement walkers.)

I den nye undersøgelse, researchers sought to optimize this process to see how quickly a walker designed with speed in mind could move. The limiting factor in terms of speed did not appear to be the strand displacement process itself, but rather the lack of fine-tuned optimization in the overall walker design.

The team redesigned their walker for maximum speed and used a fluorescent imaging technique known as smFRET (for single-molecule fluorescence resonance imaging transfer) to chart the DNA walker's progress and evaluate its subtle kinetic properties.

By altering the lengths of toehold sequences and branching migration points, the stepping rate could be keenly optimized, making for a briskly moving nanorobot that left competitors in the dust, boasting stepping rates a full order of magnitude faster than previous DNA walkers.

Freewheeling nanorobot

Part of the robot's advantage over its competitors is due to its unusual technique of locomotion. Rather than simply stepping from one surface foothold to the next, the acrobatic walker moves head over heels in a cartwheel fashion, while remaining securely bound to at least one foothold at all times.

The stability of the double-stranded sequences anchoring the base of the robot to the track surface, while the free toehold searches out the next complementary sequence, may be one factor improving the walker's speed. The cartwheeling design also allows strand displacement to sequentially proceed in a direction away from the foothold surface, hvilket forbedrer effektiviteten.

Once the walker was optimized, super-resolved single particle tracking was used to observe the device's movement over a 2-D surface studded with footholds for the walker, covering a range of up to 2 microns. The best walker optimized in the study was able to search ~43 foothold sites per minute with a stepping distance of ~ 10nm. Strand displacement occurred at rates of about a tenth of a second. Analysis suggests the device can take hundreds of steps without dissociating.

Future steps

While still lagging behind naturally occurring protein reactions, the optimized cartwheeling walker offers a marked advancement in performance, representing an order of magnitude improvement over earlier versions, while not consuming any fuel. Borrowing further insights from natural systems may allow dynamical DNA devices like the walker to accelerate even more in the future by converting chemical energy into directed speed.

The study underlines the opportunities for optimization of a range of DNA nanostructures, considerably enhancing their speed and versatility.