Et nyt twist på DNA-origami:Meta-DNA-strukturer transformerer DNA-nanoteknologiens verden

Et team af forskere fra ASU og Shanghai Jiao Tong University (SJTU) ledet af Hao Yan, ASU's Milton Glick-professor ved School of Molecular Sciences, og direktør for ASU Biodesign Institute's Center for Molecular Design and Biomimetics, har netop annonceret oprettelsen af ​​en ny type meta-DNA-strukturer, der vil åbne op for områderne optoelektronik (herunder informationslagring og kryptering) samt syntetisk biologi.

Denne undersøgelse blev offentliggjort i dag i Naturkemi - faktisk kan meta-DNA-selvsamlingskonceptet totalt transformere den mikroskopiske verden af ​​strukturel DNA-nanoteknologi.

Det er almindeligt kendt, at den forudsigelige natur af Watson-Crick-baseparring og de strukturelle træk ved DNA har gjort det muligt for DNA at blive brugt som en alsidig byggesten til at konstruere sofistikerede strukturer og enheder i nanoskala.

"En milepæl inden for DNA-teknologi var bestemt opfindelsen af ​​DNA-origami, hvor et langt enkeltstrenget DNA (ssDNA) foldes til udpegede former ved hjælp af hundredvis af korte DNA-stamstrenge, " forklarede Yan. "Men det har været udfordrende at samle større (mikron til millimeter) DNA-arkitekturer, som indtil for nylig har begrænset brugen af ​​DNA-origami." De nye mikron-strukturer er i størrelsesordenen af ​​et menneskehår. som er 1000 gange større end de originale DNA-nanostrukturer.

Lige siden prydede forsiden af Videnskab Magasinet i 2011 med deres elegante DNA origami nanostrukturer, Yan og samarbejdspartnere har arbejdet utrætteligt, udnytte inspiration fra naturen, søger at løse komplekse menneskelige problemer.

"I denne nuværende forskning udviklede vi en alsidig "meta-DNA" (M-DNA) strategi, der gjorde det muligt for forskellige sub-mikrometer til mikrometer størrelse DNA-strukturer at samle sig selv på en måde, der svarer til, hvordan simple korte DNA-strenge samles selv ved nanoskala niveau, " sagde Yan.

Gruppen demonstrerede, at en 6-helix bundt DNA origami nanostruktur i sub-mikrometer skalaen (meta-DNA) kunne bruges som en forstørret analog af enkeltstrenget DNA (ssDNA), og at to meta-DNA'er, der indeholder komplementære "meta-basepar", kunne danne dobbelte helixer med programmeret handedness og spiralformede tonehøjder.

Ved hjælp af meta-DNA byggeklodser har de konstrueret en række af sub-mikrometer til mikrometer skala DNA-arkitekturer, inklusive meta-multi-arm junctions, 3-D polyeder, og forskellige 2-D/3-D gitter. De demonstrerede også en hierarkisk streng-forskydningsreaktion på meta-DNA for at overføre de dynamiske egenskaber af DNA til meta-DNA'et.

Med hjælp fra adjunkt Petr Sulc (SMS) brugte de en grovkornet beregningsmodel af DNA'et til at simulere den dobbeltstrengede M-DNA struktur og til at forstå de forskellige udbytter af venstrehåndede og højrehåndede strukturer, der blev opnået .

Yderligere, ved blot at ændre den lokale fleksibilitet af det individuelle M-DNA og deres interaktioner, de var i stand til at bygge en række af sub-mikrometer eller mikron-skala DNA-strukturer fra 1D til 3-D med en lang række geometriske former, inklusive meta-kryds, meta-double crossover fliser (M-DX), tetraeder, oktaeder, prismer, og seks typer tætpakkede gitter.

I fremtiden, mere komplicerede kredsløb, molekylære motorer, og nanoenheder kunne designes rationelt ved hjælp af M-DNA og bruges i applikationer relateret til biosensing og molekylær beregning. Denne forskning vil gøre skabelsen af ​​dynamiske mikronskala DNA-strukturer, som kan rekonfigureres ved stimulering, væsentligt mere gennemførligt.

Forfatterne forventer, at indførelsen af ​​denne M-DNA-strategi vil transformere DNA-nanoteknologi fra nanometer til mikroskopisk skala. Dette vil skabe en række komplekse statiske og dynamiske strukturer i sub-mikrometer og mikron-skalaen, som vil muliggøre mange nye applikationer.

For eksempel, disse strukturer kan bruges som et stillads til at mønstre komplekse funktionelle komponenter, der er større og mere komplekse end tidligere antaget muligt. Denne opdagelse kan også føre til mere sofistikeret og kompleks adfærd, der efterligner celle- eller cellulære komponenter med en kombination af forskellige M-DNA-baserede hierarkiske strengforskydningsreaktioner.