In 2006, Caltech's Paul Rothemund (BS '94) - nu onderzoeksprofessor in bio-engineering, informatica en wiskundige wetenschappen, en computer- en neurale systemen ontwikkelden een methode om een ​​lange DNA-streng in een voorgeschreven vorm te vouwen. De techniek, nagesynchroniseerde DNA-origami, stelde wetenschappers in staat om zelf-assemblerende DNA-structuren te creëren die elk gespecificeerd patroon konden dragen, zoals een smiley van 100 nanometer breed.

DNA-origami zorgde voor een revolutie op het gebied van nanotechnologie, het openen van mogelijkheden voor het bouwen van kleine moleculaire apparaten of "slimme" programmeerbare materialen. Echter, sommige van deze toepassingen vereisen veel grotere DNA-origamistructuren.

Nutsvoorzieningen, wetenschappers in het laboratorium van Lulu Qian, universitair docent bio-engineering bij Caltech, hebben een goedkope methode ontwikkeld waarmee DNA-origami zichzelf assembleert tot grote reeksen met volledig aanpasbare patronen, een soort canvas creëren dat elke afbeelding kan weergeven. Om dit aan te tonen, het team creëerde 's werelds kleinste recreatie van Leonardo da Vinci's Mona Lisa - uit DNA.

Het werk wordt beschreven in een artikel dat verschijnt in het nummer van 7 december van het tijdschrift Natuur .

Hoewel DNA misschien het best bekend staat voor het coderen van de genetische informatie van levende wezens, het molecuul is ook een uitstekende chemische bouwsteen. Een enkelstrengs DNA-molecuul is samengesteld uit kleinere moleculen die nucleotiden worden genoemd - afgekort A, T, C, en G—gerangschikt in een string, of volgorde. De nucleotiden in een enkelstrengs DNA-molecuul kunnen binden met die van een andere enkelstrengs om dubbelstrengs DNA te vormen, maar de nucleotiden binden alleen op zeer specifieke manieren:een A-nucleotide met een T of een C-nucleotide met een G. Deze strikte "regels" voor basenparen maken het mogelijk om DNA-origami te ontwerpen.

Om een ​​enkel vierkant van DNA-origami te maken, je hebt alleen een lange enkele DNA-streng nodig en veel kortere enkele strengen - nietjes genoemd - die zijn ontworpen om te binden aan meerdere aangewezen plaatsen op de lange streng. Wanneer de korte nietjes en de lange streng worden gecombineerd in een reageerbuis, de nietjes trekken delen van de lange streng samen, waardoor het zichzelf in de gewenste vorm vouwt. Een groot DNA-canvas is samengesteld uit vele kleinere vierkante origami-tegels, alsof je een puzzel in elkaar zet. Moleculen kunnen selectief aan de nietjes worden bevestigd om een ​​verhoogd patroon te creëren dat kan worden gezien met behulp van atoomkrachtmicroscopie.

Het Caltech-team ontwikkelde software die een afbeelding kan maken, zoals de Mona Lisa, verdeel het in kleine vierkante secties, en bepaal de DNA-sequenties die nodig zijn om die vierkanten te vormen. Volgende, hun uitdaging was om die secties zichzelf te laten assembleren tot een bovenbouw die de Mona Lisa nabootst.

"We zouden elke tegel kunnen maken met unieke randnieten, zodat ze alleen aan bepaalde andere tegels kunnen binden en zichzelf kunnen assembleren tot een unieke positie in de bovenbouw, " legt Grigory Tikhomirov uit, senior postdoctoraal wetenschapper en hoofdauteur van de paper, "maar dan zouden we honderden unieke randen moeten hebben, die niet alleen erg moeilijk te ontwerpen zou zijn, maar ook extreem duur om te synthetiseren. We wilden slechts een klein aantal verschillende randnietjes gebruiken, maar toch alle tegels op de juiste plaats krijgen."

De sleutel om dit te doen was om de tegels in fasen te monteren, zoals het samenstellen van kleine delen van een puzzel en die vervolgens samenvoegen om grotere delen te maken voordat je uiteindelijk de grotere delen samenvoegt om de voltooide puzzel te maken. Elke minipuzzel gebruikt dezelfde vier randen, maar omdat deze puzzels apart in elkaar gezet worden, er is geen risico, bijvoorbeeld, van een hoektegel die in de verkeerde hoek wordt bevestigd. Het team heeft de methode "fractal assembly" genoemd omdat dezelfde set montageregels op verschillende schalen wordt toegepast.

"Zodra we elke afzonderlijke tegel hebben gesynthetiseerd, we plaatsen elk in zijn eigen reageerbuis voor in totaal 64 buisjes, " zegt Philip Petersen, een afgestudeerde student en co-eerste auteur op het papier. "We weten precies welke tegels in welke buizen zitten, dus we weten hoe we ze moeten combineren om het eindproduct samen te stellen. Eerst, we combineren de inhoud van vier specifieke buizen tot we 16 vierkanten van twee bij twee krijgen. Die worden dan op een bepaalde manier gecombineerd om vier buizen te krijgen met elk een vierkant van vier bij vier. En dan worden de laatste vier buizen gecombineerd om één grote, vierkant van acht bij acht bestaande uit 64 tegels. We ontwerpen de randen van elke tegel zodat we precies weten hoe ze zullen combineren."

De uiteindelijke structuur van het Qian-team was 64 keer groter dan de originele DNA-origamistructuur die in 2006 door Rothemund werd ontworpen. dankzij de recycling van dezelfde randinteracties, het aantal verschillende DNA-strengen dat nodig was voor de assemblage van deze DNA-superstructuur was ongeveer hetzelfde als voor Rothemunds originele origami. Dit zou de nieuwe methode even betaalbaar moeten maken, volgens Qian.

"De hiërarchische aard van onze aanpak maakt het mogelijk om slechts een kleine en constante set unieke bouwstenen te gebruiken, in dit geval DNA-strengen met unieke sequenties, om constructies te bouwen met toenemende afmetingen en, in principe, een onbeperkt aantal verschillende schilderijen, ", zegt Tikhomirov. "Deze economische benadering van meer bouwen met minder is vergelijkbaar met hoe ons lichaam wordt gebouwd. Al onze cellen hebben hetzelfde genoom en zijn gebouwd met dezelfde set bouwstenen, zoals aminozuren, koolhydraten, en lipiden. Echter, via variërende genexpressie, elke cel gebruikt dezelfde bouwstenen om verschillende machines te bouwen, bijvoorbeeld, spiercellen en cellen in het netvlies."

Het team creëerde ook software waarmee wetenschappers overal DNA-nanostructuren kunnen maken met behulp van fractal-assemblage.

"Om onze techniek gemakkelijk toegankelijk te maken voor andere onderzoekers die geïnteresseerd zijn in het verkennen van toepassingen met behulp van platte DNA-nanostructuren op micrometerschaal, we hebben een online softwaretool ontwikkeld die het gewenste beeld van de gebruiker omzet in DNA-strengen en wet-lab-protocollen, ", zegt Qian. "Het protocol kan direct worden gelezen door een vloeistofverwerkende robot om de DNA-strengen automatisch te mengen. De DNA-nanostructuur is moeiteloos in elkaar te zetten."

Met behulp van deze online softwaretool en automatische vloeistofverwerkingstechnieken, verschillende andere patronen werden ontworpen en samengesteld uit DNA-strengen, waaronder een levensgroot portret van een bacterie en een bacteriegroot portret van een haan.

"Andere onderzoekers hebben eerder gewerkt aan het hechten van diverse moleculen zoals polymeren, eiwitten, en nanodeeltjes tot veel kleinere DNA-canvas voor het bouwen van elektronische circuits met kleine functies, het vervaardigen van geavanceerde materialen, of het bestuderen van de interacties tussen chemicaliën of biomoleculen, "zegt Petersen. "Ons werk geeft ze een nog groter canvas om op te tekenen."