Nanokonstruktion med krökt DNA

DNA-nanoteknik använder de unika fysiska egenskaperna hos DNA-molekyler för att designa och skapa strukturer i nanoskala, med hopp om att en dag skapa små maskiner som fungerar tillsammans precis som delar av en cell. Men en av utmaningarna på området är att hitta sätt att designa och konstruera DNA-strukturer med hög precision. En nyligen genomförd studie publicerad i Vetenskap markerar ett genombrott i forskarnas förmåga att forma DNA; den beskriver ett sätt att bygga tredimensionella DNA-former med utarbetade vändningar och kurvor med oöverträffad precision, utvecklat av forskare vid Harvard och Tekniska universitetet i München i Tyskland.

Fast växel: En ny metod för att designa tredimensionella former från DNA gör det möjligt att skapa böjda delar, inklusive denna nanoskaliga kugghjul med tolv tänder.

Hao Yan , en biokemiprofessor vid Arizona State University som inte var involverad i studien, säger att arbetet tillför en nyckelnivå av kontroll över tidigare metoder. Jag tror att vi kan säga att det går att skapa vilken arkitektur som helst med hjälp av DNA, säger han.

En viktig fördel med att använda DNA som konstruktionsmaterial är att det är programmerbart. DNA-molekyler består av strängar av länkade nukleotidbaser av fyra typer: A, T, G och C. Dessa baser fastnar vid baserna på en annan DNA-sträng enligt en enkel regel: A parar med T och C parar med G. Genom att skapa DNA-sekvenser med komplementära baser på olika strängar är det därför möjligt att designa DNA-molekyler som självbildar sig till vissa former enligt förutsägbara regler.

Tidigare arbete använde en metod som kallas DNA-origami för att designa tvådimensionella former från DNA; ytterligare studier har byggt på detta tillvägagångssätt för att skapa former i tre dimensioner. DNA-origami använder en mycket lång DNA-sträng, som kallas ställningen, och hundratals kortare strängar, som kallas häftklamrar. Häftklamrarna binder till ställningen på vissa platser baserat på deras sekvens, klämmer ihop ställningen och tvingar den att dubbla tillbaka många gånger för att skapa ett ark i en viss form.

De Vetenskap studien utökar arbetet med samma team av forskare och anpassar DNA-origamimetoden för att skapa mer komplexa tredimensionella former. Tidigare designade teamet DNA för att bilda helixar buntade av tvärbundna stapelsträngar i ett bikakeliknande galler. I den aktuella studien introducerade forskarna böjningar och vridningar i dessa former genom att lägga till eller ta bort baser på vissa punkter i ställningen, vilket förändrade de lokala krafterna som spiralerna utövar på varandra och tvingar hela strukturen att böjas åt höger eller vänster. De fann att de kunde kontrollera graden av krökning med stor precision och uppnå skarpa böjningar som liknar dem för det hårt sårade DNA som finns i celler.

Forskarna skapade föremål inklusive kugghjul i nanoskala, en strandbollsformad kapsel med trådram och trianglar med antingen konkava eller konvexa sidor. Shawn Douglas , en medförfattare vid Harvard University, utvecklade ett allmänt tillgängligt datorstödt designprogram som kan fungera som ett visuellt gränssnitt för att designa DNA-formerna.

Böjbara molekyler: En bunt av DNA-spiraler (översta raden) kan fås att böjas i exakta vinklar (de andra raderna) genom att introducera eller ta bort baspar i DNA-sekvensen.

William Shih , en medförfattare till studien och biträdande professor i biologisk kemi och molekylär farmakologi Harvard Medical School, säger att förmågan att göra böjda strukturer lägger till ett viktigt inslag i verktygslådan för nanovetenskap för DNA. Han påpekar att föremål som ringar, fjädrar och kugghjul är viktiga för maskiner på makroskala, medan celler också innehåller element med böjda delar, vilket tyder på att dessa egenskaper är viktiga på nanoskala. Om vi ​​inte hade den här allmänna byggnadsförmågan skulle vi vara handikappade i vår förmåga att bygga användbara enheter, säger han.

Chengde Mao , en docent i analytisk kemi vid Purdue University, kallar prestationen förvånande och säger att hans eget labb har försökt göra liknande strukturer och misslyckats. Han säger inte bara att arbetet visar att DNA kan vridas och böjas i extrema grader utan att en av de fina sakerna är att det är en riktigt jämn kurva, medan andra försök har resulterat i former som är pixlade.

De praktiska tillämpningarna av tekniken är fortfarande oklara, men det finns många möjligheter. Eftersom DNA-formerna som beskrivs i Vetenskap papper är storleken på ett genomsnittligt virus, säger Shih att de kanske kan utformas för att komma in i en cell som ett virus för att frigöra ett läkemedel. DNA-delar kan också användas för att designa molekylär elektronik, som en dag kan erbjuda en ny nivå av miniatyrisering för snabbare datorer.

Yan säger att studien bidrar till DNA:s imponerande förmågor, men tillägger att forskare behöver studera dessa strukturer ytterligare för att se hur stabila de är och hur bra de håller sig över tid.

Dölj