211service.com
En låslåda byggd av DNA
Med bara DNA har forskare i Danmark konstruerat en liten låda med ett lock som antingen kan låsas eller – med hjälp av en uppsättning DNA-nycklar – öppnas. Medan andra grupper har experimenterat med att använda DNA-origami för att bygga tredimensionella föremål, har den nya lådan, som beskrivs i veckans utgåva av Natur , kännetecknas av sina solida sidor och rörliga delar.
Deoxiribos sockerbitar: Eftersom komplementära DNA-regioner gillar att para ihop sig, kunde forskarna designa en lång DNA-sträng som, i kombination med många små DNA-häftklamrar, automatiskt skulle montera sig själv till en låda i nanostorlek. Denna teknik är känd som DNA-origami. Här avbildades lådorna med hjälp av kryoelektrontomografi för att bekräfta deras kubliknande strukturer och ihåliga inre.
Det är en ganska vacker molekylstruktur, säger John Reif , en framstående professor i datavetenskap vid Duke University, som inte var involverad i forskningen. Det är första gången som en sådan nanostruktur hade ett programmerbart och kontrollerbart lock.
För närvarande fungerar lådan som ett principbevis på att DNA-origami kan anpassas för att göra utarbetade tredimensionella strukturer, säger Jørgen Kjems , en molekylärbiolog vid Aarhus University Center for DNA Nanotechnology, som ledde forskningen. Men i framtiden tror han att behållaren i nanostorlek skulle kunna anpassas för ett brett spektrum av applikationer, från läkemedelsleveransfordon till logisk grind.
DNA är ett idealiskt byggmaterial för nanostrukturer. Det är lätt att slå ut i bulk: Kjems och hans team kapade ett virus för att tillverka kopior av sekvensen som de designade. Och den viker sig på okomplicerade, förutsägbara sätt enligt dess sekvens. För att designa lådan utvecklade Aarhus-teamet ett datorprogram för att generera en kontinuerlig enkelsträngad DNA-sekvens som, tillsammans med mindre DNA-fragment som fungerar som häftklamrar, självmonterar till önskad form.
Sekvensen utformades med många komplementära regioner så att den automatiskt skulle vikas till sex ungefär fyrkantiga dragspelsliknande ark – sidorna av lådan – baserat på DNA:s naturliga tendens att para ihop sig till dubbelsträngar. DNA-häftklamrarna, som också drivs av parningen av komplementära sekvenser, sydde ihop arkens kanter för att bilda en ihålig kub med ett gångjärnsförsett lock.
För att göra locket låsbart utformade Kjems och hans kollegor två små DNA-spärrar med klibbiga ändar. Under normala omständigheter fäster spärrarna på lådan och håller den stängd. Men när de två motsvarande DNA-nycklarna läggs till, binder spärrarna till dem istället, vilket gör att locket kan öppnas. Ett par färgämnesmolekyler, en fäst på lådans kant och en annan på locket, lyser rött när de är nära varandra och gröna när de är långt ifrån varandra, vilket ger ett enkelt sätt att upptäcka om en låda är stängd eller öppen.
Tänk utanför lådan: Nanoboxarna, modellerade här i grått, kan en dag färja droger till specifika destinationer i kroppen eller fungera som logiska grindar i en DNA-baserad dator. Varje lådas lock är normalt stängt med två par kompletterande DNA-fragment (blå och orange). Men när motsvarande DNA-nycklar (även blå och orange) läggs till mixen, stör de spärrarna och låter locken öppnas. Fluorescerande färgmarkörer lyser rött när en låda är stängd och grön när den är öppen.
Med tredimensionella strukturer som den här är den verkliga utmaningen inte att designa objektet utan att bevisa att det har formats framgångsrikt, säger Paul Rothemund , en datavetare vid California Institute of Technology, som utvecklade en enkel teknik för att göra DNA-strukturer. Forskarna använde flera olika avbildningsmetoder för att säkerställa att lådorna monterades som planerat. De gjorde ett mycket övertygande jobb med att visa att de gjorde det de trodde att de gjorde, vilket är väldigt viktigt, säger Rothemund. Och nu är de fria att försöka utveckla det och få det att faktiskt göra något.
Kjems har flera idéer för vad lådorna kan göra. En möjlighet är att ladda dem med droger och programmera locken så att de öppnas som svar på någon biologisk signal inuti kroppen – närvaron av ett virus eller en cancergen, till exempel – och därigenom frigöra deras terapeutiska last.
Det finns ett sätt på vilket de är mer intressanta än nästan alla andra nano-inkapslingsscheman du kan tänka dig för det ändamålet, eftersom de har dessa oändligt programmerbara lock, säger Rothemund. Det är något som ingen annan typ av kapsel för nanoläkemedel kan erbjuda.
Terapeutisk användning är dock fortfarande långt kvar. Även om lådorna är teoretiskt tillräckligt solida för att förhindra att stora molekyler läcker ut och tillräckligt rymliga för att omsluta en ribosom eller ett litet virus, har forskarna ännu inte försökt stoppa in något i dem. Och än så länge fungerar lådorna bara inuti ett provrör. Till skillnad från vissa andra nanoleveransfordon finns det ännu inga bevis för säkerheten eller effekten av DNA-baserade enheter i levande system.
Men låsboxarna behöver inte bära någon nyttolast för att vara användbara. Kjems tänker också göra om dem till elektroniska komponenter. Eftersom de har två distinkta nycklar, fungerar lådorna som OCH-portar och öppnas (och lyser grönt) endast när båda nycklarna finns. Med några enkla justeringar kan de fungera som INTE-portar eller ELLER-grindar också. I princip, säger Kjems, skulle man kunna bygga en DNA-dator med hjälp av dessa lådor.