Synthetische biologen en nanobiologen hergebruiken DNA, het erfelijk materiaal dat in bijna alle lichaamscellen aanwezig is, als een slim en stabiel zelfassemblerend materiaal om nanofabrieken te bouwen, medicijnleverende nanostructuren en moleculaire apparaten die hun omgeving kunnen waarnemen en op verschillende manieren kunnen reageren door, bijvoorbeeld, het detecteren van ontstekingen in het lichaam of toxines in de omgeving. Deze toepassingen op nanoschaal omvatten vaak de synthese van grote sequenties die duizenden van de bouwstenen bevatten waaruit DNA is gemaakt, bekend als de A, T, C- en G-nucleotidebasen, die verder kan worden gevouwen en gestructureerd vanwege de specifieke basenpaarmogelijkheden tussen As en Ts, en C's en G's, respectievelijk.

Echter, tot dusver, onderzoekers hebben geen tools tot hun beschikking waarmee grotere enkelstrengs sequenties autonoom kunnen groeien en zich vervolgens end-to-end kunnen aansluiten volgens een moleculair ontwerpplan, een mogelijkheid die structuren en apparaten met verschillende mogelijkheden zou kunnen genereren.

Vandaag gepubliceerd in Natuurchemie , onderzoek door Peng Yin aan het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard biedt een breed toepasbare oplossing voor dit probleem. Yin en zijn team hebben een methode ontwikkeld waarmee vooraf ontworpen DNA-sequenties autonoom kunnen groeien en aaneenschakelen langs specifieke assemblageroutes, en vormt daarmee de basis voor een nieuwe generatie programmeerbare moleculaire apparaten. Door hun nieuwe concept van zogenaamde 'Primer Exchange Reaction' (PER) cascades op de proef te stellen, ze hebben met succes een eerste set apparaten met diverse functies ontwikkeld, zoals zelfbouwende DNA-origami en DNA-nanostructuren die voelen, versterken, omgevingssignalen registreren of logisch evalueren.

Eerdere methoden produceerden identieke kopieën van een vaste kleinere reeks, maar ze zijn niet in staat om verschillende gesynthetiseerde sequenties aan elkaar toe te voegen in gedefinieerde patronen om autonoom grotere assemblages te genereren zonder tussenkomst van de gebruiker. "De autonome en programmeerbare functies die PER-cascades bieden, zouden een geheel nieuwe generatie programmeerbare moleculaire apparaten en toepassingen kunnen opleveren en hiaten in ontwerpinspanningen kunnen dichten, waarvoor al veel bewegende delen bestaan, " zei Peng Yin, kernfaculteitslid van het Wyss Institute, doctoraat, die de studie leidde en tevens hoogleraar systeembiologie is aan de Harvard Medical School (HMS). "We leveren proof-of-concept data voor PER in een breed scala van state-of-the-art synthetische biologie toepassingen die duidelijk het brede potentieel van de technologie benadrukken."

Het team van het Wyss Institute gebruikte het nieuwe concept om een ​​reeks van dergelijke PER-DNA-transcripten te ontwerpen voor zeer uiteenlopende toepassingen, inclusief de autonome synthese van grote DNA-nanostructuren die bekend staan ​​als DNA-origami's, en synthetische biologie benaderingen, waarbij de synthese van een DNA-transcript afhangt van een trigger, zoals een met kanker geassocieerd klein micro-RNA. Hun PER-aanpak kan zelfs DNA-transcripten genereren die het resultaat zijn van een logisch geëvalueerde combinatie van verschillende triggers, vergelijkbaar met RNA Ribocomputing Devices die het team van Yin eerder dit jaar publiceerde. interessant, PER-DNA-transcripten kunnen zelf katalytisch worden, in staat zijn om een ​​willekeurig doel-RNA te knippen, worden fluorescent gelabelde sondes die de aanwezigheid van een bepaalde moleculaire stimulus versterken, of "moleculaire recorders" die getrouw de volgorde aangeven waarin bepaalde moleculaire signalen in hun omgeving verschijnen.

Om de PER-cascade te starten, er zijn twee basiscomponenten nodig. De ene wordt een "katalytische DNA-haarspeldbemiddelaar" genoemd, dat is een enkelstrengs DNA-molecuul dat gedeeltelijk met zichzelf gepaard gaat om een ​​haarspeldstructuur te vormen met een korte overhangende enkelvoudige streng. Deze overhang is ontworpen om de tweede component van de PER-cascades op te vangen, de "primeur, " die een gebied bevat dat complementair is aan de overhang. Door een reeks rek- en verplaatsingsreacties, de primer wordt verlengd met een sequentie die wordt verschaft door de katalytische haarspeldmediator en vervolgens verdreven. Dit maakt de katalytische haarspeldbemiddelaar vrij om de volgende ronde van het proces te cascaderen, ofwel door een nieuwe startprimer of de reeds langwerpige primer te vangen, enzovoort.

Deze complexe syntheseroutes verlopen autonoom, vergelijkbaar met een moleculaire robot die een bepaalde taak uitvoert, en bij een enkele temperatuur, wat de technologie zeer robuust maakt. "De aanpak geeft ons een enorme creatieve vrijheid:we kunnen niet alleen hetzelfde stukje DNA keer op keer synthetiseren als nieuwe toevoegingen van een groeiende reeks, maar we kunnen ook de soorten DNA-sequenties die moeten worden toegevoegd variëren door simpelweg de samenstelling van katalytische haarspeld-DNA's en primers in de mix te veranderen terwijl de assemblage aan de gang is. Dit stelt ons in staat om de synthese in verschillende richtingen te laten vertakken en om de samenstelling van het uiteindelijke DNA-transcript op ingewikkelde wijze te modelleren, " zei de eerste auteur van de studie, Jocelyn Kishi, die als National Science Foundation (NSF) Graduate Research Fellow bij HMS werkt aan het Wyss Institute-team van Yin. "We werken nu aan het implementeren van PER-cascades voor een verscheidenheid aan toepassingen, inclusief moleculaire recorders, geavanceerde diagnostiek, en weefselbeeldvorming. We hopen ook dat deze systemen ooit in levende cellen kunnen worden gebruikt als apparaten die gebeurtenissen kunnen registreren of celgedrag op specifieke manieren kunnen herprogrammeren, ' zei Kishi.

"Deze nieuwe vooruitgang die laat zien hoe DNA-moleculen kunnen worden geprogrammeerd om zichzelf te assembleren tot specifieke 3D-structuren en vooraf gedefinieerde functies en taken uit te voeren, is een grote stap voorwaarts op het gebied van moleculaire robotica, en geeft een kijkje in de toekomst van apparaten voor zowel medische als niet-medische toepassingen, " zei Donald Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology is aan de HMS en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, evenals hoogleraar bio-engineering aan de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).