Hoewel de primaire taak van DNA in cellen is om genetische informatie van de ene generatie naar de volgende over te dragen, sommige wetenschappers zien het zeer stabiele en programmeerbare molecuul ook als een ideaal bouwmateriaal voor structuren op nanoschaal die kunnen worden gebruikt om medicijnen te leveren, fungeren als biosensoren, kunstmatige fotosynthese uitvoeren en meer.

Op grote schaal proberen DNA-structuren te bouwen werd ooit ondenkbaar geacht. Maar ongeveer vijf jaar geleden, Caltech computationeel bio-ingenieur Paul Rothemund ontwierp een nieuwe ontwerpstrategie genaamd DNA-origami:de constructie van tweedimensionale vormen van een DNA-streng die op zichzelf is gevouwen en vastgezet door korte "nietjes" -strengen. Enkele jaren later, Het lab van William Shih aan de Harvard Medical School vertaalde dit concept naar drie dimensies, waardoor het ontwerp van complexe gebogen en gebogen structuren mogelijk werd die nieuwe wegen opende voor synthetisch biologisch ontwerp op nanoschaal.

Een grote hindernis voor deze steeds complexere ontwerpen was de automatisering van het ontwerpproces. Nu een team bij MIT, onder leiding van biologisch ingenieur Mark Bathe, heeft software ontwikkeld die het gemakkelijker maakt om de driedimensionale vorm te voorspellen die zal resulteren uit een bepaald DNA-sjabloon. Hoewel de software het ontwerpproces niet volledig automatiseert, het maakt het voor ontwerpers aanzienlijk eenvoudiger om complexe 3D-structuren te maken, controle over hun flexibiliteit en mogelijk hun vouwstabiliteit.

“Uiteindelijk zoeken we een ontwerptool waarmee je kunt beginnen met een afbeelding van de complexe driedimensionale vorm van interesse, en het algoritme zoekt naar optimale sequentiecombinaties, " zegt Baden, de Samuel A. Goldblith universitair docent toegepaste biologie. "Om deze technologie voor nanoassemblage beschikbaar te maken voor de bredere gemeenschap - inclusief biologen, chemici, en materiaalwetenschappers zonder expertise in de DNA-origamitechniek - de rekentool moet volledig worden geautomatiseerd, met een minimum aan menselijke inbreng of tussenkomst.”

Bathe en zijn collega's beschreven hun nieuwe software in het nummer van 25 februari van Natuurmethoden . In dat blad, ze bieden ook een inleiding over het maken van DNA-origami met medewerker Hendrik Dietz van de Technische Universitaet Muenchen. “Een knelpunt om de technologie breder bruikbaar te maken, is dat slechts een kleine groep gespecialiseerde onderzoekers is opgeleid in het ontwerpen van scaffolded DNA-origami, ', zegt Bathe.

DNA programmeren

DNA bestaat uit een reeks van vier nucleotidebasen die bekend staan ​​als A, T, G en C, waardoor het molecuul gemakkelijk te programmeren is. Volgens de regels van de natuur, A bindt alleen met T, en G alleen met C. “Met DNA, op kleine schaal, je kunt deze sequenties programmeren om zelf te assembleren en te vouwen tot een zeer specifieke uiteindelijke structuur, met afzonderlijke strengen die zijn samengebracht om grotere objecten te maken, ', zegt Bathe.

Rothemunds origami-ontwerpstrategie is gebaseerd op het idee om een ​​lange DNA-streng in twee dimensies te laten vouwen, alsof het op een vlakke ondergrond is gelegd. In zijn eerste paper waarin hij de methode beschrijft, hij gebruikte een viraal genoom bestaande uit ongeveer 8, 000 nucleotiden om 2D-sterren te maken, driehoeken en smileygezichten.

Die enkele DNA-streng dient als een "steiger" voor de rest van de structuur. Honderden kortere strengen, elk ongeveer 20 tot 40 basen lang, combineer met de steiger om het in zijn finale te houden, gevouwen vorm.

“DNA is in veel opzichten beter geschikt voor zelfassemblage dan eiwitten, waarvan de fysieke eigenschappen zowel moeilijk te beheersen als gevoelig zijn voor hun omgeving, ', zegt Bathe.

Bathe's nieuwe softwareprogramma werkt samen met een softwareprogramma van Shih's lab genaamd caDNAno, waarmee gebruikers handmatig scaffolded DNA-origami kunnen maken van een tweedimensionale lay-out. Het nieuwe programma, genaamd CanDo, neemt de 2D-blauwdruk van caDNAno en voorspelt de ultieme 3D-vorm van het ontwerp. Deze resulterende vorm is vaak niet intuïtief, Baad zegt, omdat DNA een flexibel object is dat draait, buigt en rekt terwijl het vouwt om een ​​complexe 3D-vorm te vormen.

Volgens Rothemund, het CanDo-programma zou DNA-origami-ontwerpers in staat moeten stellen hun DNA-structuren grondiger te testen en te tweaken om correct te vouwen. “Hoewel we de vorm van dingen hebben kunnen ontwerpen, we hadden geen tools om de spanningen en spanningen in die vormen gemakkelijk te ontwerpen en te analyseren of om ze voor specifieke doeleinden te ontwerpen, ' zegt hij.

Op moleculair niveau, stress in de dubbele helix van DNA vermindert de vouwstabiliteit van de structuur en introduceert lokale defecten, beide hebben de voortgang in het scaffolded DNA-origami-veld belemmerd.

Postdoctoraal onderzoeker Do-Nyun Kim en promovendus Matthew Adendorff, zowel van het Bathe-lab, verbeteren nu de mogelijkheden van CanDo en optimaliseren het ontwerpproces van scaffolded DNA-origami.

Hulpmiddelen op nanoschaal bouwen

Zodra wetenschappers een betrouwbare manier hebben om DNA-structuren te assembleren, de volgende vraag is wat ermee te doen. Een toepassing waar wetenschappers enthousiast over zijn, is een "DNA-drager" die medicijnen naar specifieke bestemmingen in het lichaam kan transporteren, zoals tumoren, waarbij de vervoerder de lading zou vrijgeven op basis van een specifiek chemisch signaal van de doelkankercel.

Een andere mogelijke toepassing van scaffolded DNA-origami zou kunnen helpen een deel van het lichtoogstapparaat van fotosynthetische plantencellen te reproduceren. Onderzoekers hopen die complexe reeks van ongeveer 20 eiwitsubeenheden te recreëren, maar om dat te doen, componenten moeten in specifieke posities en oriëntaties bij elkaar worden gehouden. Dat is waar DNA-origami binnen zou kunnen komen.

"DNA-origami maakt de constructie op nanoschaal van zeer nauwkeurige architecturale arrangementen mogelijk. Onderzoekers benutten deze unieke eigenschap om een ​​aantal toepassingen op nanoschaal na te streven, inclusief een synthetische fotocel, ', zegt Bathe. “Hoewel toepassingen als deze nog vrij ver in het verschiet liggen, wij zijn van mening dat softwaretools voor voorspellende engineering essentieel zijn voor vooruitgang in deze richting.”

Nieuwe toepassingen kunnen ook voortkomen uit een nieuwe wedstrijd die deze zomer op Harvard wordt gehouden, genaamd BIOMOD. Undergraduate-teams van een tiental scholen, inclusief MIT, Harvard en Caltech, zal proberen biomoleculen op nanoschaal te ontwerpen voor robotica, computergebruik en andere toepassingen.

Ondertussen, Bathe richt zich op de verdere ontwikkeling van CanDo om geautomatiseerd DNA-origami-ontwerp mogelijk te maken. “Als je eenmaal een geautomatiseerd rekenhulpmiddel hebt waarmee je complexe vormen op een precieze manier kunt ontwerpen, Ik denk dat we in een veel betere positie verkeren om deze technologie te benutten voor interessante toepassingen, ' zegt hij.

Om DNA-origami een brede impact te laten hebben, het moet routine worden om eenvoudig DNA-onderdelen te bestellen om elke configuratie te bouwen die je maar kunt bedenken, zegt Bath. Hij merkt op:"Zodra niet-specialisten willekeurige 3D-nanostructuren kunnen ontwerpen met behulp van DNA-origami, hun fantasie kan de vrije loop.”