Ingenieurs hebben een techniek ontwikkeld waarmee ze microscopisch kleine apparaten gevormd uit gevouwen DNA-moleculen niet alleen op een specifieke locatie, maar ook in een specifieke oriëntatie kunnen plaatsen.

Als proof-of-concept, ze regelden meer dan 3, 000 gloeiende maanvormige moleculaire apparaten op nanoschaal in een bloemvormig instrument om de polarisatie van licht aan te geven. Elk van de 12 bloembladen wees in een andere richting rond het midden van de bloem, en binnenin elk bloemblad waren ongeveer 250 manen uitgelijnd met de richting van het bloemblad. Omdat elke maan alleen gloeit als hij wordt geraakt door gepolariseerd licht dat overeenkomt met zijn oriëntatie, het eindresultaat is een bloem waarvan de bloembladen in volgorde oplichten als de polarisatie van het licht dat erop schijnt, wordt geroteerd. De bloem, die een afstand overspant die kleiner is dan de breedte van een mensenhaar, toont aan dat duizenden moleculen betrouwbaar op het oppervlak van een chip kunnen worden georiënteerd.

Deze methode voor het nauwkeurig plaatsen en oriënteren van op DNA gebaseerde moleculaire apparaten kan het mogelijk maken om deze moleculaire apparaten te gebruiken voor het aandrijven van nieuwe soorten chips die moleculaire biosensoren integreren met optica en elektronica voor toepassingen zoals DNA-sequencing of het meten van de concentraties van duizenden eiwitten bij een keer.

Het onderzoek, gepubliceerd op 19 februari door het tijdschrift Wetenschap , bouwt voort op meer dan 15 jaar werk van Caltech's Paul Rothemund (BS '94), onderzoekshoogleraar bio-engineering, informatica en wiskundige wetenschappen, en berekening en neurale systemen, en zijn collega's. In 2006, Rothemund toonde aan dat DNA kan worden gericht om zichzelf in precieze vormen te vouwen door middel van een techniek die DNA-origami wordt genoemd. In 2009, Rothemund en collega's van IBM Research Almaden beschreven een techniek waarmee DNA-origami op precieze locaties op oppervlakken kon worden geplaatst. Om dit te doen, ze gebruikten een printproces op basis van elektronenstralen en creëerden "plakkerige" patches met dezelfde grootte en vorm als de origami. Vooral, ze toonden aan dat origami-driehoeken precies op de locatie van driehoekige plakkerige plekken bonden.

Volgende, Rothemund en Ashwin Gopinath, voorheen een senior postdoctoraal onderzoeker van Caltech en nu een assistent-professor aan het MIT, verfijnde en breidde deze techniek uit om aan te tonen dat moleculaire apparaten die zijn gemaakt van DNA-origami betrouwbaar kunnen worden geïntegreerd in grotere optische apparaten. "De technologische barrière was hoe je grote aantallen moleculaire apparaten reproduceerbaar kunt organiseren in de juiste patronen op de soorten materialen die voor chips worden gebruikt, ' zegt Rothemund.

in 2016, Rothemund en Gopinath toonden aan dat driehoekige origami met fluorescerende moleculen kan worden gebruikt om een ​​65, 000-pixelversie van Vincent van Gogh's De sterrennacht. In dat werk, driehoekige DNA-origami werden gebruikt om fluorescerende moleculen te positioneren in optische resonatoren ter grootte van een bacterie; nauwkeurige plaatsing van de fluorescerende moleculen was van cruciaal belang, aangezien een beweging van slechts 100 nanometer naar links of rechts de pixel meer dan vijf keer zou dimmen of ophelderen.

Maar de techniek had een achilleshiel:"Omdat de driehoeken gelijkzijdig waren en vrij konden draaien en ondersteboven konden worden gedraaid, ze konden op zes verschillende manieren plat op de driehoekige plakkerige plek op het oppervlak plakken. Dit betekende dat we geen apparaten konden gebruiken die een bepaalde oriëntatie nodig hadden om te functioneren. We zaten vast met apparaten die even goed zouden werken als ze naar boven werden gericht, omlaag, of in welke richting dan ook, ", zegt Gopinath. Moleculaire apparaten die bedoeld zijn voor DNA-sequencing of het meten van eiwitten moeten absoluut met de goede kant naar boven landen, dus de oudere technieken van het team zouden 50 procent van de apparaten verpesten. Voor apparaten die ook een unieke draairichting vereisen, zoals transistoren, slechts 16 procent zou functioneren.

Het eerste probleem dat moet worden opgelost, dan, was om de DNA-origami betrouwbaar te laten landen met de juiste kant naar boven. "Het is een beetje alsof je ervoor zorgt dat toast altijd op magische wijze met de boter naar boven landt als het op de grond wordt gegooid, " zegt Rothemund. Tot de verbazing van de onderzoekers, Door origami te bekleden met een tapijt van flexibele DNA-strengen aan één kant, kon meer dan 95 procent van hen met de voorkant naar boven landen. Maar het probleem van het beheersen van de rotatie bleef. Rechthoekige driehoeken met drie verschillende randlengtes waren de eerste poging van de onderzoekers tot een vorm die in de gewenste rotatie zou kunnen landen.

Echter, na worstelen om slechts 40 procent van de rechthoekige driehoeken in de juiste richting te wijzen, Gopinath rekruteerde computerwetenschappers Chris Thachuk van de Universiteit van Washington, co-auteur van het Science-paper, en een voormalig Caltech-postdoc; en David Kirkpatrick van de Universiteit van British Columbia, ook een co-auteur van de Wetenschap papier. Het was hun taak om een ​​vorm te vinden die alleen zou blijven steken in de beoogde richting, in welke richting het ook zou landen. De oplossing van de computerwetenschappers was een schijf met een niet-gecentreerd gat, die de onderzoekers een 'kleine maan' noemden. Wiskundige bewijzen suggereerden dat, in tegenstelling tot een rechthoekige driehoek, kleine manen konden soepel draaien om de beste uitlijning met hun plakkerige plek te vinden zonder vast te lopen. Laboratoriumexperimenten bevestigden dat meer dan 98 procent van de kleine manen de juiste oriëntatie op hun plakkerige plekken vond.

Het team voegde vervolgens speciale fluorescerende moleculen toe die zichzelf stevig vastzetten in de DNA-helices van de kleine manen, loodrecht op de as van de helices. Dit zorgde ervoor dat de fluorescerende moleculen in een maan allemaal in dezelfde richting waren georiënteerd en het helderst zouden gloeien wanneer ze werden gestimuleerd met licht van een bepaalde polarisatie. "Het is alsof elk molecuul een kleine antenne draagt, die alleen energie van licht het meest efficiënt kan accepteren als de polarisatie van het licht overeenkomt met de oriëntatie van de antenne, ", zegt Gopinath. Dit eenvoudige effect heeft de constructie van de polarisatiegevoelige bloem mogelijk gemaakt.

Met robuuste methoden voor het regelen van de opwaartse en roterende oriëntatie van DNA-origami, een breed scala aan moleculaire apparaten kan nu goedkoop worden geïntegreerd in computerchips met een hoge opbrengst voor een verscheidenheid aan potentiële toepassingen. Bijvoorbeeld, Rothemund en Gopinath hebben een bedrijf opgericht, Palamedrix, om de technologie te commercialiseren voor het bouwen van halfgeleiderchips die gelijktijdige studie van alle eiwitten die relevant zijn voor de menselijke gezondheid mogelijk maken. Caltech heeft patentaanvragen ingediend voor het werk.