Planter frøet til DNA-nanokonstruktioner, der vokser til mikronskalaen

Et team af nanobioteknologer ved Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering og Dana-Farber Cancer Institute (DFCI) ledet af Wyss Founding Core Faculty-medlem William Shih, Ph.D., har udtænkt en programmerbar DNA-selvsamlingsstrategi, der løser nøgleudfordringen med robust kernedannelseskontrol og baner vejen for applikationer såsom ultrasensitiv diagnostisk biomarkørdetektion og skalerbar fremstilling af mikrometerstore strukturer med funktioner på nanometerstørrelse.

Ved hjælp af metoden, kaldet "kryds polymerisation", forskerne kan påbegynde vævning af nanobånd fra aflange enkeltstrenge af DNA (benævnt "lameller") ved en strengt frøafhængig kernedannelseshændelse. Undersøgelsen er publiceret i Naturkommunikation .

DNA nanostrukturer har et stort potentiale til at løse forskellige diagnostiske, terapeutisk, og fremstillingsudfordringer på grund af deres høje biokompatibilitet og programmerbarhed. For at fungere effektive diagnostiske enheder, for eksempel, en DNA-nanostruktur skal muligvis reagere specifikt på tilstedeværelsen af ​​et målmolekyle ved at udløse en amplificeret udlæsning, der er kompatibel med billige instrumenter, der er tilgængelige i point-of-care eller kliniske laboratorier.

De fleste DNA-nanostrukturer er samlet ved hjælp af en af ​​to hovedstrategier, der hver har deres styrker og begrænsninger. "DNA-origami" er dannet af en lang enkeltstrenget stilladsstreng, der er stabiliseret i en to- eller tredimensionel konfiguration af talrige kortere hæftestrenge. Deres montering er strengt afhængig af stilladsstrengen, fører til robust alt-eller-intet-foldning. Selvom de kan dannes med høj renhed under en bred vifte af forhold, deres maksimale størrelse er begrænset. "DNA-klodser" på den anden side kan samle meget større strukturer fra et væld af korte modulære tråde. Imidlertid, deres montering kræver nøje kontrollerede miljøforhold, kan påbegyndes falsk i fravær af et frø, og producerer en betydelig del af ufuldstændige strukturer, der skal renses væk.

"Introduktionen af ​​DNA-origami har været det mest virkningsfulde fremskridt inden for DNA-nanoteknologi i løbet af de sidste to årtier. Den på kryds og tværs af polymeriseringstilgang, som vi udviklede i denne undersøgelse, bygger på dette og andre grundlag for at udvide kontrolleret DNA-selvsamling til meget større længdeskalaer, " sagde Shih, som medleder Wyss' Molecular Robotics Initiative, og er også professor ved Harvard Medical School og DFCI. "Vi forestiller os, at polymerisering på kryds og tværs vil muliggøre alt-eller-intet dannelse af to- og tredimensionelle mikrostrukturer med adresserbare funktioner i nanoskala, algoritmisk selvsamling, og nul-baggrundssignalforstærkning i diagnostiske applikationer, der kræver ekstrem følsomhed."

Plante et frø

Efter at have oplevet begrænsningerne ved DNA-origami og DNA-murstens nanostrukturer, holdet startede med at spørge, om det var muligt at kombinere den absolutte frøafhængighed af DNA-origami-samling med den grænseløse størrelse af DNA-klodskonstruktioner i en tredje type DNA-nanostruktur, der vokser hurtigt og konsekvent til en stor størrelse.

"Vi argumenterede for, at alt-eller-intet samling af mikron-skala DNA-strukturer kunne opnås ved at designe et system, der har en høj fri-energi barriere for spontan samling. Barrieren kan kun omgås med et frø, der binder og arrangerer et sæt af 'kernedannende' lameller til fælles indfangning af 'vækst'-lameller. Dette initierer en kædereaktion af vækst-lameller, der resulterer i lange DNA-bånd, " sagde co-first forfatter Dionis Minev, Ph.D., som er postdoc-stipendiat på Shihs hold.

"Denne type meget samarbejdsvillige, strengt frøafhængig nukleering følger nogle af de samme principper, der styrer cytoskeletaktin eller mikrotubuli filament initiering og vækst i celler." igen er nødvendig for binding af den næste." Krydskrydspolymerisering tager denne strategi til næste niveau ved at gøre det muligt for ikke-nærmeste naboer at blive påkrævet til rekruttering af indkommende monomerer. Det resulterende ekstreme niveau af koordination er den hemmelige sauce, " sagde Minev.

Fra koncept til faktiske struktur(er)

At omsætte deres koncept i praksis, holdet designede og validerede et system, hvor en lille frøstruktur tilbyder en høj startkoncentration af prædannede bindingssteder i form af udragende enkelt DNA-strenge. Disse kan påvises af DNA-lameller med seks (eller i et alternativt system på kryds og tværs af otte) tilgængelige bindingssteder, hver binding til en af ​​seks (eller otte) tilstødende udragende ssDNA-strenge i et mønster på kryds og tværs, og efterfølgende DNA-lameller tilføjes derefter kontinuerligt til den forlængende struktur.

"Vores design er bemærkelsesværdigt, fordi vi opnåede hurtig vækst af enorme DNA-strukturer, dog med nukleationskontrol, der er størrelsesordener større end andre tilgange. Det er ligesom at have din kage og også spise den, fordi vi let lavede forsamlinger i stor skala og kun gjorde det hvor og når vi ønskede det, " sagde co-first forfatter Chris Wintersinger, en ph.d. elev i Shihs gruppe, der samarbejdede om projektet med Minev. "Den kontrol, vi opnåede med kryds og tværs, overstiger i høj grad den, der er observeret for eksisterende DNA-metoder, hvor kernedannelse kun kan styres inden for et snævert vindue af forhold, hvor væksten er ekstremt langsom."

Ved hjælp af krydskryds polymerisation, Shihs team genererede DNA-bånd, der selv samlede sig som et resultat af en enkelt specifik seeding-begivenhed til strukturer, der målte op til titusinder af mikrometer i længden, med en masse næsten hundrede gange større end en typisk DNA-origami. I øvrigt, ved at udnytte den høje programmerbarhed af lamelkonformationer og interaktioner, forskerne skabte bånd med tydelige drejninger og drejninger, resulterer i snoede og rørlignende strukturer.

I fremtidige undersøgelser, dette kunne udnyttes til at skabe funktionaliserede strukturer, der kan drage fordel af rumligt adskilte rum. "En umiddelbar anvendelse af vores på kryds og tværs af nanokonstruktionsmetode er som en amplifikationsstrategi i diagnostiske assays efter dannelsen af ​​nanofrø fra specifikke og sjældne biomarkører, " sagde medforfatter Anastasia Ershova, der også er ph.d. studerende mentoreret af Shih.

"Udviklingen af ​​denne nye nanofremstillingsmetode er et slående eksempel på, hvordan Wyss Institutes Molecular Robotics Initiative fortsætter med at blive inspireret af biologiske systemer, I dette tilfælde, voksende cytoskeletfilamenter, og bliver ved med at udvide mulighederne på dette spændende felt. Dette fremskridt bringer DNA-nanoteknologiens potentiale tættere på at løse presserende diagnostiske udfordringer, som der i øjeblikket ikke findes løsninger på. " sagde Wyss stiftende direktør Donald Ingber, M.D., Ph.D., som også er Judah Folkman-professor i vaskulær biologi ved Harvard Medical School og Boston Children's Hospital, og professor i bioingeniør ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.