Onderzoekers van het MIT en de Arizona State University hebben een computerprogramma ontworpen waarmee gebruikers elke tekening in vrije vorm kunnen vertalen naar een tweedimensionale, nanoschaal structuur gemaakt van DNA.

Tot nu, het ontwerpen van dergelijke structuren vereist technische expertise die het proces buiten het bereik van de meeste mensen brengt. Met het nieuwe programma, iedereen kan een DNA-nanostructuur van elke vorm maken, voor toepassingen in de celbiologie, fotonica, en kwantumdetectie en computergebruik, onder vele anderen.

"Wat dit werk doet, is dat iedereen letterlijk elke 2D-vorm kan tekenen en deze automatisch kan omzetten in DNA-origami, " zegt Mark Bathe, een universitair hoofddocent biologische engineering aan het MIT en de senior auteur van de studie.

De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in het nummer van 4 januari van: wetenschappelijke vooruitgang , en het programma, genaamd PERDIX, is online beschikbaar. De hoofdauteurs van het artikel zijn Hyungmin Jun, een MIT-postdoc, en Fei Zhang, een assistent-onderzoeksprofessor aan de Arizona State University. Andere auteurs zijn MIT-onderzoeksmedewerker Tyson Shepherd, recente MIT Ph.D. ontvanger Sakul Ratanalert, ASU-assistent-onderzoeker Xiaodong Qi, en ASU-professor Hao Yan.

Geautomatiseerd ontwerp

DNA-origami, de wetenschap van het vouwen van DNA in kleine structuren, ontstaan ​​in het begin van de jaren 80, toen Ned Seeman van de New York University voorstelde om gebruik te maken van DNA's basenparende capaciteiten om willekeurige moleculaire arrangementen te creëren. In 2006, Paul Rothemund van Caltech creëerde de eerste steiger, tweedimensionale DNA-structuren, door een lange enkele DNA-streng (de steiger) door de vorm te weven, zodat DNA-strengen die bekend staan ​​als "nietjes" ermee zouden hybridiseren om de algehele structuur zijn vorm te laten behouden.

Anderen gebruikten later een vergelijkbare benadering om complexe driedimensionale DNA-structuren te creëren. Echter, al deze inspanningen vereisten een ingewikkeld handmatig ontwerp om de steiger door de hele structuur te leiden en om de sequenties van de stapelstrengen te genereren. in 2016, Bathe en zijn collega's ontwikkelden een manier om het proces van het genereren van een 3D polyedrische DNA-structuur te automatiseren, en in deze nieuwe studie, ze wilden het ontwerp van willekeurige 2D-DNA-structuren automatiseren.

Om dat te bereiken, ze ontwikkelden een nieuwe wiskundige benadering van het proces waarbij de enkelstrengige steiger door de hele structuur wordt geleid om de juiste vorm te krijgen. Het resulterende computerprogramma kan elke tekening in vrije vorm aannemen en deze vertalen in de DNA-sequentie om die vorm te creëren en in de sequenties voor de stapelstrengen.

De vorm kan in elk computertekenprogramma worden geschetst en vervolgens worden omgezet in een computer-aided design (CAD)-bestand, die wordt ingevoerd in het DNA-ontwerpprogramma. "Als je dat bestand hebt, alles gaat automatisch, net als printen, maar hier is de inkt DNA, ' zegt Bath.

Nadat de sequenties zijn gegenereerd, de gebruiker kan ze bestellen om gemakkelijk de gespecificeerde vorm te fabriceren. In deze krant, de onderzoekers creëerden vormen waarbij alle randen bestaan ​​uit twee duplexen DNA, maar ze hebben ook een werkend programma dat zes duplexen per rand kan gebruiken, die stijver zijn. De bijbehorende softwaretool voor 3D-veelvlakken, genaamd TALOS, is online beschikbaar en wordt binnenkort gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano. De vormen, die variëren van 10 tot 100 nanometer in grootte, kan weken of maanden stabiel blijven, gesuspendeerd in een bufferoplossing.

"Het feit dat we deze op een heel eenvoudige manier kunnen ontwerpen en fabriceren, helpt bij het oplossen van een groot knelpunt in ons vakgebied, Bathe zegt. "Nu kan het veld overgaan naar veel bredere groepen mensen in de industrie en de academische wereld die DNA-structuren kunnen functionaliseren en inzetten voor diverse toepassingen."

Patronen op nanoschaal

Omdat de onderzoekers zo'n nauwkeurige controle hebben over de structuur van de synthetische DNA-deeltjes, ze kunnen een verscheidenheid aan andere moleculen op specifieke locaties hechten. Dit zou nuttig kunnen zijn voor het modelleren van antigenen in patronen op nanoschaal om licht te werpen op hoe immuuncellen herkennen en worden geactiveerd door specifieke arrangementen van antigenen die op virussen en bacteriën worden gevonden.

"Hoe patronen van antigenen op nanoschaal worden herkend door immuuncellen, is een zeer slecht begrepen gebied van immunologie, " zegt Bathe. "Het bevestigen van antigenen aan gestructureerde DNA-oppervlakken om ze in georganiseerde patronen weer te geven is een krachtige manier om die biologie te onderzoeken."

Een andere belangrijke toepassing is het ontwerpen van lichtoogstcircuits die de fotosynthetische complexen in planten nabootsen. Om dat te bereiken, de onderzoekers hechten lichtgevoelige kleurstoffen die bekend staan ​​als chromoforen aan DNA-steigers. Naast het oogsten van licht, dergelijke circuits kunnen ook worden gebruikt om kwantumdetectie en rudimentaire berekeningen uit te voeren. Indien succesvol, dit zouden de eerste kwantumcomputercircuits zijn die bij kamertemperatuur kunnen werken, zegt Bath.