DNA-origami tager flugten i et nyt område af nanomaskiner

Ligesom dampmaskinen satte scenen for den industrielle revolution, og mikrotransistorer udløste den digitale tidsalder, enheder i nanoskala lavet af DNA åbner op for en ny æra inden for biomedicinsk forskning og materialevidenskab.

Journalen Videnskab beskriver den nye anvendelse af DNA-mekaniske anordninger i en "Perspektiv"-artikel af Khalid Salaita, professor i kemi ved Emory University, og Aaron Blanchard, en kandidatstuderende i Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering, et fælles program fra Georgia Institute of Technology og Emory.

Artiklen varsler et nyt felt, som Blanchard kaldte "DNA-mekanoteknologi, "at konstruere DNA-maskiner, der genererer, overføre og registrere mekaniske kræfter på nanoskala.

"I lang tid, "Salaita siger, "videnskabsmænd har været gode til at lave mikroenheder, hundredvis af gange mindre end bredden af ​​et menneskehår. Det har været mere udfordrende at lave funktionelle nano-enheder, tusindvis af gange mindre end det. Men at bruge DNA som komponentdele gør det muligt at bygge ekstremt komplicerede nano-enheder, fordi DNA-delene samler sig selv."

DNA, eller deoxyribonukleinsyre, lagrer og transmitterer genetisk information som en kode, der består af fire kemiske baser:adenin (A), guanin (G), cytosin (C) og thymin (T). DNA-baserne har en naturlig affinitet til at parre sig med hinanden - A med T og C med G. Syntetiske DNA-strenge kan kombineres med naturlige DNA-strenge fra bakteriofager. Ved at bevæge sig rundt i rækkefølgen af ​​bogstaver på strengene, forskere kan få DNA-strengene til at binde sig sammen på måder, der skaber forskellige former. Stivheden af ​​DNA-strenge kan også nemt justeres, så de forbliver lige som et stykke tør spaghetti eller bøjes og rulles som kogt spaghetti.

Ideen om at bruge DNA som byggemateriale går tilbage til 1980'erne, da biokemiker Nadrian Seeman var banebrydende inden for DNA -nanoteknologi. Dette felt bruger strenge DNA til at lave funktionelle enheder på nanoskala. Evnen til at gøre disse præcise, tredimensionelle strukturer begyndte som en nyhed, kaldet DNA origami, resulterer i objekter som et mikroskopisk kort over verden og, for nylig, det mindste spil nogensinde med tic-tac-toe, spillet på en DNA-plade.

Arbejdet med nyhedsobjekter fortsætter med at give ny indsigt i DNA's mekaniske egenskaber. Disse indsigter driver evnen til at lave DNA -maskiner, der genererer, overføre og registrere mekaniske kræfter.

"Hvis du sammensætter disse tre hovedkomponenter i mekaniske enheder, du begynder at få hamre og tandhjul og hjul, og du kan begynde at bygge nanomaskiner, " siger Salaita. "DNA-mekanoteknologi udvider mulighederne for forskning, der involverer biomedicin og materialevidenskab. Det er som at opdage et nyt kontinent og åbne nyt territorium at udforske."

Potentielle anvendelser for sådanne anordninger omfatter lægemiddelleveringsanordninger i form af nanokapsler, der åbner sig, når de når et målsted, nano -computere og nano -robotter, der arbejder på samlebånd i nanoskala.

Brugen af ​​DNA-selvsamling i genomikindustrien, til biomedicinsk forskning og diagnostik, driver yderligere DNA-mekanoteknologi, gør DNA-syntese billig og let tilgængelig. "Potentielt kan enhver drømme om et nanomaskinedesign og gøre det til virkelighed, " siger Salaita.

Han giver eksemplet på at skabe et par nanosaks. "Du ved, at du har brug for to stive stænger, og at de skal være forbundet med en drejemekanisme, " siger han. "Ved at pille ved noget open source-software, du kan oprette dette design og derefter gå ind på en computer og afgive en ordre for at tilpasse dit design. Du modtager din ordre i et rør. Du putter blot rørets indhold i en opløsning, lad din enhed samle sig selv, og brug derefter et mikroskop for at se, om det fungerer, som du troede, at det ville gøre. "

Salaitas laboratorium er et af kun omkring 100 rundt om i verden, der arbejder på forkant med DNA-mekanoteknologi. Han og Blanchard udviklede verdens stærkeste syntetiske DNA-baserede motor, som for nylig blev rapporteret i Nano Letters.

Et centralt fokus i Salaitas forskning er at kortlægge og måle, hvordan celler skubber og trækker for at lære mere om de mekaniske kræfter, der er involveret i det menneskelige immunsystem.

Salaita udviklede de første DNA-kraftmålere til celler, giver det første detaljerede billede af de mekaniske kræfter, som et molekyle anvender på et andet molekyle på tværs af hele overfladen af ​​en levende celle. Kortlægning af sådanne kræfter kan hjælpe med at diagnosticere og behandle sygdomme relateret til cellemekanik. Kræftceller, for eksempel, bevæge sig anderledes end normale celler, og det er uklart, om den forskel er en årsag eller en virkning af sygdommen.

I 2016 Salaita brugte disse DNA-kraftmålere til at give det første direkte bevis for de mekaniske kræfter i T-celler, immunsystemets sikkerhedsvagter. Hans laboratorium viste, hvordan T-celler bruger en slags mekanisk "håndtryk" eller træk til at teste, om en celle, de støder på, er en ven eller fjende. Disse mekaniske slæbebåde er centrale for en T-celles beslutning om, hvorvidt der skal etableres et immunrespons.

"Dit blod indeholder millioner af forskellige typer T-celler, og hver T -celle udvikles til at detektere et bestemt patogen eller fremmed middel, " Salaita forklarer. "T-celler tager konstant prøver af celler i hele din krop ved hjælp af disse mekaniske slæbebåde. De binder og trækker proteiner på en celles overflade og, hvis båndet er stærkt, det er et signal om, at T-cellen har fundet en fremmed agent."

Salaitas laboratorium byggede på denne opdagelse i et papir, der for nylig blev offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) . Arbejdet ledet af Emory-kemistuderende Rong Ma forfinede følsomheden af ​​DNA-kraftmålerne. Ikke alene kan de opdage disse mekaniske slæb med en kraft så lille, at den er næsten en milliard af vægten af ​​en papirclips, de kan også fange tegn på slæbebåde så korte som et øjeblik.

Forskningen giver et hidtil uset kig på de mekaniske kræfter, der er involveret i immunsystemet. "Vi viste, at ud over at være udviklet til at opdage visse fremmede agenter, T-celler vil også anvende meget korte mekaniske træk på fremmede agenter, der næsten matcher, "Salaita siger." Hyppigheden og varigheden af ​​slæbebåden afhænger af, hvor tæt den fremmede agent er tilpasset T -celle -receptoren. "

Resultatet giver et værktøj til at forudsige, hvor stærk af en immunrespons en T-celle vil montere. "Vi håber, at dette værktøj i sidste ende kan bruges til at finjustere immunterapier til individuelle kræftpatienter, "Salaita siger." Det kan potentielt hjælpe med at konstruere T -celler til at gå efter bestemte kræftceller. "