Met behulp van een techniek die bekend staat als DNA-origami, biofysicus Hendrik Dietz bouwt al enkele jaren objecten op nanometerschaal aan de Technische Universiteit van München (TUM). Nutsvoorzieningen, Dietz en zijn team zijn niet alleen uit het nanometerrijk gekomen om grotere objecten te bouwen, maar hebben ook de productiekosten duizendvoudig verlaagd. Deze innovaties openen een geheel nieuwe grens voor de technologie.

Virussen kapselen hun genetisch materiaal in in een omhulsel dat bestaat uit een reeks identieke eiwitbouwstenen. De capsule van het hepatitis B-virus, bijvoorbeeld, omvat 180 identieke subeenheden, een typisch geval van "prefab" constructie die veelvuldig in de natuur wordt ingezet.

Het team onder leiding van Hendrik Dietz, Hoogleraar Biomoleculaire Nanotechnologie aan de TU München heeft nu virale constructieprincipes omgezet in DNA-origamitechnologie. Hierdoor kunnen ze structuren ontwerpen en bouwen op de schaal van virussen en celorganellen.

De technologie bouwt voort op een lange enkele streng die wordt bevestigd aan een dubbelstrengige structuur met behulp van korte stapelreeksen. "De dubbelstrengige structuur is energetisch voldoende stabiel, zodat we de enkele streng in bijna elke vorm kunnen dwingen met behulp van de juiste gekozen tegenhangers, ", legt Hendrik Dietz uit. "Zo kunnen we in de computer nauwkeurig objecten ontwerpen die slechts enkele nanometers groot zijn."

Tandwielen voor nanomotoren

Het Dietz-lab beveelt technieken waarmee ze chemische functionaliteiten verder kunnen wijzigen en in objecten kunnen invoegen door zijgroepen toe te voegen. Maar, tot nu, de grootte van de objecten bleef in het nanometergebied. In het wetenschappelijke tijdschrift Natuur , het team beschrijft nu hoe grotere constructies kunnen worden gebouwd met geprefabriceerde onderdelen.

Hiertoe, ze maakten eerst V-vormige nano-objecten. Deze hebben vorm-complementaire bindingsplaatsen aan hun zijkanten, waardoor ze zich autonoom aan elkaar kunnen hechten terwijl ze in een oplossing drijven. Afhankelijk van de openingshoek, ze vormen "versnellingen" met een gecontroleerd aantal spaken.

"We waren verheugd om te zien dat, bijna zonder uitzondering, ringen gevormd zoals gedefinieerd door de openingshoek, ", zegt Hendrik Dietz. "Doorslaggevend voor het kunnen bouwen van objecten van deze omvang en complexiteit is de precisie en stijfheid van de afzonderlijke bouwstenen. We moesten afzonderlijke elementen versterken met dwarsbalken, bijvoorbeeld."

Constructie van microbuisjes

Om het constructieprincipe verder te benutten, het team creëerde nieuwe bouwstenen die niet alleen aan de zijkanten "lijmverbindingen" hadden, maar ook iets zwakkere aan de boven- en onderkant. Hierdoor kunnen de "nano-tandwielen" in een tweede stap lange buizen vormen met behulp van de extra aanlegplaatsen.

"Met een lengte van één micrometer en een diameter van enkele honderden nanometers, deze buizen hebben de grootte van sommige bacteriën bereikt, " legt Hendrik Dietz uit. "En we kunnen de architectuur van afzonderlijke elementen gebruiken om kenmerken van de algehele structuur te bepalen."

Veelvlakkige structuren bouwen

Geïnspireerd door de symmetrieën en het hiërarchische ontwerp van virussen, de onderzoekers probeerden ook gesloten kooistructuren te bouwen. "Een mogelijke toekomstige toepassing van kunstmatige kooien is het transport van medicijnen in het lichaam, " legt Hendrik Dietz uit. "Hier, het doel is om actieve middelen alleen op specifieke gewenste locaties vrij te geven, de rest van het lichaam te sparen."

Gebruikmakend van de principes die al zijn toegepast op de eerder beschreven structuren, het team bouwde nu nieuwe elementen waarvan ze hoopten dat ze onder de juiste omstandigheden op een zelfbeperkende manier zouden worden samengevoegd tot kooistructuren. Volgens deze strategieën leiden een driehoekig middendeel en drie V-vormige elementen tot een drieledig bouwelement.

Afhankelijk van de openingshoek van de V, een bepaald aantal van deze eenheden fuseert tot tetraëdrische, hexaëdrische of dodecaëdrische structuren in een tweede stap. De uiteindelijke structuren integreren tot 1,8 miljoen adresseerbare DNA-basenparen op door de gebruiker gedefinieerde posities. Voor de eerste keer, deze kooien van discrete grootte bereiken molecuulgewichten en afmetingen die vergelijkbaar zijn met die van virussen en kleine celorganellen.

Kosteneffectieve massaproductie

Daten, fabricageprocessen hebben het toepassingsgebied beperkt tot processen die slechts kleine hoeveelheden materiaal vereisen. Het feit dat slechts een paar microgram met conventionele methoden kan worden vervaardigd, sluit veel potentiële medische en materiaalwetenschappelijke toepassingen uit.

Het knelpunt zijn de korte stapelstrengen die chemisch basis voor basis moeten worden geproduceerd. De hoofdstreng verkregen uit bacteriofagen, anderzijds, kan op grote schaal worden geproduceerd met behulp van biotechnologische processen.

Daarom verfijnde het team onder leiding van Hendrik Dietz zogenaamde DNA-enzymen, een ontdekking die voortkomt uit synthetische biotechnologie. Dit zijn DNA-strengen die bij blootstelling aan een hoge concentratie zinkionen op specifieke posities uiteenvallen.

Ze voegden de korte stapelsequenties samen tot een lange streng met elk twee gemodificeerde DNA-enzymen. "Eenmaal precies geassembleerd met een specifieke basenvolgorde, deze gecombineerde strengen kunnen worden gereproduceerd in een biotechnologisch proces, zoals bij enkele strengen bacteriofaag-DNA, " zegt Dietz, het belangrijkste kenmerk van het proces uitleggen.

Biotechnologische productie op grote schaal

Zowel de hoofdstreng als de secundaire streng, bestaande uit DNA-enzymen en de stapelsequenties, werden met succes geproduceerd met behulp van een proces met hoge celdichtheid met bacteriën. Het proces is schaalbaar en dus geschikt voor grootschalige productie van de hoofdstrengen en nietjes. Het verhogen van de zinkionconcentratie na DNA-isolatie maakt de korte stapelsequenties vrij, die vervolgens de hoofdstreng in de gewenste vorm vouwen.

Uitgebreid onderzoek van de reactiemechanismen in samenwerking met collega's van het Institute of Biochemical Engineering toonde aan dat dit zelfs op grote schaal mogelijk is. Bij het TUM Research Center for Industrial Biotechnology in Garching, wetenschappers hebben nu meerdere grammen van vier verschillende DNA-origami-objecten geproduceerd. Het opschalen van het proces naar een kubieke meterschaal is nu binnen handbereik.

"Het samenspel van biotechnologie en procestechnologie heeft het mogelijk gemaakt een werkelijk fundamentele mijlpaal te bereiken op weg naar toekomstige toepassingen in DNA-nanotechnologie, " zegt professor Dirk Weuster-Botz, Voorzitter van het Instituut voor Biochemische Engineering.