sommige niet groter dan virussen - zijn geconstrueerd door middel van een revolutionaire techniek die bekend staat als DNA-origami. Nutsvoorzieningen, Hoi Yan, Yan Liu en hun collega's van het Biodesign Institute van de Arizona State University hebben het vermogen van deze methode uitgebreid om willekeurige, twee- en driedimensionale vormen, het nabootsen van die algemeen gevonden in de natuur.

Dergelijke kleine vormen kunnen uiteindelijk hun weg vinden naar een breed scala aan apparaten, van ultrakleine computercomponenten tot nanomedische schildwachten die worden gebruikt om afwijkende cellen te targeten en te vernietigen of om therapieën op cellulair of zelfs moleculair niveau te leveren.

In het huidige nummer van Wetenschap, de Yan-groep beschrijft een benadering die het architecturale potentieel van DNA benut (en uitbreidt). De nieuwe methode is een belangrijke stap in de richting van het bouwen van structuren op nanoschaal met complexe kromming - een prestatie die conventionele DNA-origami-methoden is ontgaan. "We zijn geïnteresseerd in het ontwikkelen van een strategie om de complexe vormen van de natuur te reproduceren, " zei Jan.

De techniek van DNA-origami werd in 2006 geïntroduceerd door computerwetenschapper Paul W.K. Rothemund van Caltech. Het is gebaseerd op de zelf-assemblerende eigenschappen van de vier complementaire basenparen van DNA, die de strengen van de beroemde dubbele helix van het molecuul aan elkaar vastmaken. Wanneer deze nucleotiden, gelabeld A, T, C, en G, interactie, ze verbinden zich met elkaar volgens een eenvoudige formule - A gaat altijd gepaard met T en
C met G.

Nanodesigners zoals Yan behandelen het DNA-molecuul als een veelzijdig constructiemateriaal - een materiaal dat ze hopen te lenen van de natuur en aan te passen voor nieuwe doeleinden. In traditionele DNA-origami, een tweedimensionale vorm wordt eerst geconceptualiseerd en getekend. Deze veelhoekige omtrek wordt vervolgens ingevuld met korte segmenten dubbelstrengs DNA, parallel gerangschikt. Deze segmenten kunnen worden vergeleken met pixels:digitale elementen die worden gebruikt om woorden en afbeeldingen te maken die op een computerscherm worden weergegeven.

Inderdaad, Rothemund en anderen waren in staat om pixelachtige DNA-segmenten te gebruiken om een ​​verscheidenheid aan elegante 2-dimensionale vormen samen te stellen, (sterren, romboïden, sneeuwvlok vormen, glimlachende gezichten, eenvoudige woorden en zelfs kaarten), evenals enkele rudimentaire driedimensionale structuren. Elk van deze is gebaseerd op de eenvoudige regels van zelfassemblage die de nucleotide-base-paring begeleiden.

Zodra de gewenste vorm is omlijst door een stuk enkelstrengs DNA, korte DNA "stapelstrengen" integreren de structuur en fungeren als lijm om de gewenste vorm bij elkaar te houden. De nucleotidesequentie van de scaffold-streng is zo samengesteld dat deze door elke helix in het ontwerp loopt, als een serpentijndraad die een lappendeken van stof aan elkaar breit. Verdere versteviging wordt geleverd door de stapelstrengen, die ook vooraf zijn ontworpen om aan de gewenste delen van de voltooide structuur te worden bevestigd, via basenparing.

"Om gebogen objecten te maken, moet je verder gaan dan de benadering van kromming door rechthoekige pixels. Mensen in het veld zijn geïnteresseerd in dit probleem. De groep van William Shih aan de Harvard Medical School heeft onlangs gerichte invoeging en verwijdering van basenparen in geselecteerde segmenten binnen een 3D-bouwsteen gebruikt om de gewenste kromming te induceren. Hoe dan ook, het blijft een ontmoedigende taak om subtiele krommingen op een 3D-oppervlak te bewerken, ’ zei Jan.

"Ons doel is om ontwerpprincipes te ontwikkelen waarmee onderzoekers willekeurige 3D-vormen kunnen modelleren met controle over de mate van oppervlaktekromming. In een ontsnapping uit een rigide roostermodel, onze veelzijdige strategie begint met het definiëren van de gewenste oppervlaktekenmerken van een doelobject met de steiger, gevolgd door manipulatie van DNA-conformatie en vormgeving van crossover-netwerken om het ontwerp te bereiken, ' zei Liu.

Om dit idee te realiseren, Yan's afgestudeerde student Dongran Han begon met het maken van eenvoudige 2-dimensionale concentrische ringstructuren, elke ring gevormd uit een dubbele DNA-helix. De concentrische ringen zijn met elkaar verbonden door middel van strategisch geplaatste oversteekpunten. Dit zijn gebieden waar een van de strengen in een gegeven dubbele helix overschakelt naar een aangrenzende ring, het overbruggen van de kloof tussen concentrische helices. Dergelijke cross-overs helpen de structuur van concentrische ringen te behouden, voorkomen dat het DNA zich uitbreidt.

Door het aantal nucleotiden tussen crossover-punten en de plaatsing van cross-overs te variëren, kan de ontwerper scherpe en ronde elementen combineren in een enkele 2D-vorm, zoals te zien is in figuur 1 a &b, (met bijbehorende afbeeldingen geproduceerd door atoomkrachtmicroscopie, het onthullen van de feitelijke structuren die zijn gevormd door zelfassemblage). Een verscheidenheid aan dergelijke 2D-ontwerpen, inclusief een geopende 9-laagse ring en een driepuntige ster, werden geproduceerd.

Het netwerk van kruispunten kan ook zo worden ontworpen dat er combinaties van krommingen in het vlak en buiten het vlak ontstaan, waardoor het ontwerp van gebogen 3D-nanostructuren mogelijk is. Hoewel deze methode een aanzienlijke veelzijdigheid vertoont, het krommingsbereik is nog steeds beperkt voor standaard B-vorm DNA, die geen grote afwijkingen tolereert van zijn voorkeursconfiguratie - 10,5 basenparen / beurt. Echter, als Jeanette Nangreave, een van de co-auteurs van het artikel legt uit:"Hao herkende dat als je deze helices iets te ver of te ver zou kunnen draaien, je zou verschillende buighoeken kunnen produceren."

Door de methode van concentrische helices te combineren met dergelijk niet-B-vorm DNA (met 9-12 basenparen / beurt), stelde de groep in staat om geavanceerde vormen te produceren, inclusief bollen, hemisferen, ellipsoïde schelpen en tot slot - als een krachttoer van nanodesign - een nanofles met ronde bodem, die onmiskenbaar verschijnt in een reeks opzienbarende transmissie-elektronenmicroscopiebeelden (zie figuur 1, c-f)

"Dit is een goed voorbeeld van teamwork waarbij elk lid zijn unieke vaardigheden inbrengt in het project om dingen te laten gebeuren." De andere auteurs zijn onder meer Suchetan Pal en Zhengtao Deng, die ook een belangrijke bijdrage hebben geleverd aan het afbeelden van de structuren.

Met de nieuwe techniek hoopt Yan het scala aan nanovormen verder uit te breiden. Eventueel, hiervoor zijn langere stukken enkelstrengs DNA nodig die de nodige ondersteuning kunnen bieden voor grotere, meer uitgewerkte structuren. Hij dankt zijn briljante student (en de eerste auteur van het artikel) Dongran Han met een opmerkelijk vermogen om 2- en 3D-nanovormen te conceptualiseren en om door de vaak verbijsterende details van hun ontwerp te navigeren. Uiteindelijk echter, meer geavanceerde nano-architecturen vereisen computerondersteunde ontwerpprogramma's - een gebied dat het team actief nastreeft.

De succesvolle bouw van gesloten, 3D-nanovormen zoals de bol hebben de deur geopend naar vele opwindende mogelijkheden voor de technologie, vooral op biomedisch gebied. Nanosferen kunnen bijvoorbeeld in levende cellen worden geïntroduceerd, hun inhoud vrijgeven onder invloed van endonucleasen of andere spijsverteringscomponenten. Een andere strategie zou gebruik kunnen maken van sferen als nanoreactoren - locaties waar chemicaliën of functionele groepen kunnen worden samengebracht om reacties te versnellen of andere chemische manipulaties uit te voeren.