Forskere laver verdens mindste tic-tac-toe-spilleplade med DNA

Flyt over Mona Lisa, her kommer tic-tac-toe.

Det var kun omkring et år siden, at Caltech-forskere i Lulu Qians laboratorium, adjunkt i bioteknik, annoncerede, at de havde brugt en teknik kendt som DNA-origami til at skabe fliser, der kunne designes til selv at samles til større nanostrukturer, der bærer prædesignede mønstre. De valgte at lave verdens mindste udgave af den ikoniske Mona Lisa.

Bedriften var imponerende, men teknikken havde en begrænsning svarende til Leonardo da Vincis oliemaling:Når først billedet blev skabt, det kunne ikke nemt ændres.

Nu, Caltech-teamet har taget endnu et spring fremad med teknologien. De har skabt nye fliser, der er mere dynamiske, giver forskerne mulighed for at omforme allerede byggede DNA-strukturer. Da Caltechs Paul Rothemund (BS '94) var pioner for DNA-origami for mere end ti år siden, han brugte teknikken til at bygge et smiley ansigt. Qians team kan nu vende det smil til en pandebryn, og så, hvis de vil, vend panden på hovedet. Og de er gået endnu længere, skabe et mikroskopisk spil med tic-tac-toe, hvor spillere placerer deres X'er og O'er ved at tilføje specielle DNA-brikker til brættet.

"Vi udviklede en mekanisme til at programmere de dynamiske interaktioner mellem komplekse DNA-nanostrukturer, " siger Qian. "Ved at bruge denne mekanisme, vi skabte verdens mindste spilleplade til at spille tic-tac-toe, hvor hver bevægelse involverer molekylær selv-rekonfiguration for at bytte ind og ud hundredvis af DNA-strenge på én gang."

At sætte brikkerne sammen

Denne byttemekanisme kombinerer to tidligere udviklede DNA-nanoteknologier. Den bruger byggeklodserne fra den ene og det generelle koncept fra den anden:selvsamlende fliser, som blev brugt til at skabe den lille Mona Lisa; og strengforskydning, som er blevet brugt af Qians team til at bygge DNA-robotter.

Begge teknologier gør brug af DNA's evne til at blive programmeret gennem arrangementet af dets molekyler. Hver DNA-streng består af en rygrad og fire typer molekyler kendt som baser. Disse baser - adenin, guanin, cytosin, og thymin, forkortet til A, T, C, og G - kan arrangeres i enhver rækkefølge, med rækkefølgen, der repræsenterer information, der kan bruges af celler, eller i dette tilfælde af konstruerede nanomaskiner.

Den anden egenskab ved DNA, der gør det nyttigt til at bygge nanostrukturer, er, at A, T, C, og G-baser har en naturlig tendens til at parre sig med deres modstykker. A-basen parrer med T, og C parrer med G. I forlængelse heraf, enhver sekvens af baser vil gerne parre sig med en komplementær sekvens. For eksempel, ATTAGCA vil gerne danne par med TAATCGT.

Imidlertid, en sekvens kan også parre sig med en delvist matchende sekvens. Hvis ATTAGCA og TAATACC blev sat sammen, deres ATTA- og TAAT-portioner ville parres, og de ikke-matchende dele ville dingle fra enderne. Jo tættere to strenge komplementerer hinanden, jo mere tiltrukket de er af hinanden, og jo stærkere de binder.

For at se, hvad der sker ved strengforskydning, forestil dig to mennesker, der dater og har flere ting til fælles. Amy kan lide hunde, vandreture, film, og går til stranden. Adam kan lide hunde, vandreture, og vinsmagning. De knytter bånd over deres fælles interesse for hunde og vandreture. Så kommer der endnu en person ind i billedet. Eddie kan tilfældigvis godt lide hunde, vandreture, film, og bowling. Amy indser, at hun har tre ting til fælles med Eddie, og kun to til fælles med Adam. Amy og Eddie finder sig stærkt tiltrukket af hinanden, og Adam bliver dumpet - som en forskudt DNA-streng.

Den anden teknologi, selvsamlende fliser, er mere ligetil at forklare. I det væsentlige, fliserne, selvom alle er firkantede i form, er designet til at opføre sig som brikkerne i et puslespil. Hver flise har sin egen plads i det samlede billede, og det passer kun på det sted.

Ved at skabe deres nye teknologi, Qians team prægede selvsamlende fliser med forskydningsevner. Resultatet er fliser, der kan finde deres udpegede sted i en struktur og derefter sparke den flise ud, der allerede indtager den position. Hvor Eddie blot knyttede sig til én person, får en anden til at blive sparket til kantstenen, fliserne er mere som et adoptivbarn, der knytter sig så stærkt til en ny familie, at de tager titlen som "favorit" fra biologiske afkom.

"I dette arbejde, vi opfandt mekanismen for fliseforskydning, som følger det abstrakte princip om strengforskydning, men forekommer i større skala mellem DNA-origami-strukturer, " siger Qians tidligere kandidatstuderende Philip Petersen (Ph.D. '18), hovedforfatter af undersøgelsen. "Dette er den første mekanisme, der kan bruges til at programmere dynamisk adfærd i systemer med flere interagerende DNA-origami-strukturer."

Lad os lege

For at komme i gang med tic-tac-toe-spillet, Qians team blandede en opløsning af tomme tavler i et reagensglas. Når bestyrelsen samlede sig selv, spillerne skiftedes til at tilføje enten X-brikker eller O-brikker til løsningen. På grund af den programmerbare natur af det DNA, de er lavet af, fliserne blev designet til at glide ind på bestemte steder på brættet, erstatte de tomme fliser, der havde været der. En X-flise kunne designes til kun at glide ind i det nederste venstre hjørne af brættet, for eksempel. Spillere kunne sætte et X eller og O på ethvert tomt sted, de ville, ved at bruge fliser designet til at gå, hvor de ville. Efter seks dages medrivende gameplay, spiller X vandt.

Naturligvis, ingen forældre vil skynde sig ud for at købe deres børn en tik-tac-toe-leg, der tager næsten en uge at spille, men tic-tac-toe er egentlig ikke meningen, siger Grigory Tikhomirov, senior postdoc og medførsteforfatter af undersøgelsen. Målet er at bruge teknologien til at udvikle nanomaskiner, der kan modificeres eller repareres, efter at de allerede er bygget.

"Når du får et fladt dæk, du vil sandsynligvis bare udskifte den i stedet for at købe en ny bil. En sådan manuel reparation er ikke mulig for maskiner i nanoskala, " siger han. "Men med denne fliseforskydningsproces opdagede vi, det bliver muligt at udskifte og opgradere flere dele af konstruerede nanoskalamaskiner for at gøre dem mere effektive og sofistikerede."

Deres papir, med titlen "Informationsbaseret autonom rekonfiguration i systemer med interagerende DNA-nanostrukturer, " vises i 18. december-udgaven af Naturkommunikation .