Door de ontwerpprincipes van de natuur na te bootsen, een team van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard, Harvard Medical School en Dana-Farber Cancer Institute hebben nanodevices gemaakt van DNA die zichzelf assembleren en kunnen worden geprogrammeerd om te bewegen en van vorm te veranderen wanneer dat nodig is. In tegenstelling tot bestaande nanotechnologieën, deze programmeerbare nanodevices zijn zeer geschikt voor medische toepassingen omdat DNA zowel biocompatibel als biologisch afbreekbaar is.

Het werk verschijnt in het voorschot van 20 juni online Natuur Nanotechnologie .

Gebouwd op de schaal van een miljardste van een meter, elk apparaat is gemaakt van een cirkel, enkelstrengs DNA-molecuul dat, als het eenmaal is gemengd met veel korte stukjes complementair DNA, assembleert zichzelf tot een vooraf bepaalde 3D-structuur. Dubbele helices vouwen op tot grotere, stijve lineaire stutten die verbinden door tussenkomst van enkelstrengs DNA. Deze enkele DNA-strengen trekken de stutten omhoog in een 3D-vorm - net zoals tethers tentstokken omhoog trekken om een ​​tent te vormen. De sterkte en stabiliteit van de structuur zijn het resultaat van de manier waarop deze de tegenwerkende krachten van trek en druk verdeelt en in evenwicht houdt.

Dit architecturale principe - bekend als tensegrity - is al vele jaren de focus van kunstenaars en architecten, maar het bestaat ook in de hele natuur. In het menselijk lichaam, bijvoorbeeld, botten dienen als druksteunen, met spieren, pezen en ligamenten fungeren als spanningsdragers die ons in staat stellen om op te staan ​​tegen de zwaartekracht. Hetzelfde principe regelt hoe cellen hun vorm op microschaal bepalen.

"Deze nieuwe op zelfassemblage gebaseerde nanofabricagetechnologie kan leiden tot medische apparaten op nanoschaal en systemen voor medicijnafgifte, zoals virusnabootsers die medicijnen rechtstreeks in zieke cellen introduceren, "Zei mede-onderzoeker en directeur van het Wyss Institute Don Ingber. Een nanodevice dat kan openspringen als reactie op een chemisch of mechanisch signaal zou ervoor kunnen zorgen dat medicijnen niet alleen bij het beoogde doelwit aankomen, maar ook worden vrijgegeven wanneer en waar gewenst.

Verder, nanoscopische tensegrity-apparaten zouden op een dag menselijke stamcellen kunnen herprogrammeren om beschadigde organen te regenereren. Stamcellen reageren anders, afhankelijk van de krachten om hen heen. Bijvoorbeeld, een stijve extracellulaire matrix - de biologische lijm die cellen omgeeft - vervaardigd om de consistentie van bot na te bootsen, signaleert stamcellen om bot te worden, terwijl een soepele matrix dichter bij de consistentie van hersenweefsel de groei van neuronen signaleert. Tensegrity-nanoapparaten "kunnen ons ooit helpen om de stijfheid van extracellulaire matrices in weefseltechnologie af te stemmen en te veranderen, " zei eerste auteur Tim Liedl, die nu professor is aan de Ludwig-Maximilians-Universität in München.

"Deze kleine Zwitserse zakmessen kunnen ons helpen allerlei dingen te maken die nuttig kunnen zijn voor geavanceerde medicijntoediening en regeneratieve geneeskunde, " zei hoofdonderzoeker William Shih, Wyss kernfaculteitslid en universitair hoofddocent biologische chemie en moleculaire farmacologie bij HMS en Dana-Farber Cancer Institute. "We hebben ook een handige biologische DNA-Xerox-machine die de natuur voor ons heeft ontwikkeld, " waardoor deze apparaten gemakkelijk te produceren zijn.

Deze nieuwe mogelijkheid "is een welkom element in de structurele DNA-nanotechnologie-toolbox, " zei Ned Seeman, hoogleraar scheikunde aan de New York University.