Onderzoekers van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering aan de Harvard University hebben meer dan 100 driedimensionale (3D) nanostructuren gemaakt met behulp van DNA-bouwstenen die functioneren als Lego®-stenen - een grote vooruitgang ten opzichte van de tweedimensionale (2D) structuren van hetzelfde team een paar maanden geleden gebouwd.

In werkelijkheid, de vooruitgang betekent dat onderzoekers net zijn gegaan van het kunnen bouwen van een platte muur van Legos®, een huis te bouwen. De nieuwe methode, vermeld als een omslagonderzoeksartikel in het nummer van 30 november van Wetenschap , is de volgende stap in de richting van het gebruik van DNA-nanotechnologieën voor geavanceerdere toepassingen dan ooit tevoren, zoals "slimme" medische apparaten die geneesmiddelen selectief op ziekteplaatsen richten, programmeerbare weergavesondes, sjablonen voor het nauwkeurig rangschikken van anorganische materialen bij de vervaardiging van computercircuits van de volgende generatie, en meer.

De nanofabricagetechniek, genaamd "DNA-baksteen zelfassemblage, " gebruikt korte, synthetische strengen DNA die werken als in elkaar grijpende Lego®-stenen. Het profiteert van het vermogen om DNA te programmeren om in vooraf ontworpen vormen te worden gevormd dankzij het onderliggende "recept" van DNA-basenparen:A (adenosine) bindt alleen aan T (thymine) en C (cytosine) bindt alleen aan G (guanine).

Eerder dit jaar, rapporteerde het Wyss-team in Natuur hoe ze een verzameling 2D-vormen konden maken door de ene DNA-steen (42 basen lang) op de andere te stapelen.

Maar er zit een "twist" in de nieuwe methode die nodig is om in 3D te bouwen.

De truc is om te beginnen met een nog kleinere DNA-steen (32 basen lang), die de oriëntatie van elk bij elkaar passend paar stenen verandert in een hoek van 90 graden, waardoor elke twee Lego's® een 3D-vorm krijgt. Op deze manier, het team kan deze stenen gebruiken om naast "omhoog, " en vormen uiteindelijk 3D-structuren, zoals een massieve kubus van 25 nanometer die honderden stenen bevat. De kubus wordt een "master" DNA "moleculair canvas"; in dit geval, het canvas bestond uit 1000 zogenaamde "voxels, " die overeenkomen met acht basenparen en ongeveer 2,5 nanometer groot zijn - wat betekent dat dit architectuur op zijn kleinst is.

Het mastercanvas is waar de modulariteit van pas komt:door simpelweg subsets van specifieke DNA-stenen te selecteren uit de grote kubieke structuur, het team bouwde 102 3D-structuren met geavanceerde oppervlaktekenmerken, evenals ingewikkelde inwendige holtes en tunnels.

"Dit is een simpele veelzijdige en robuuste methode, " zegt Peng Yin, doctoraat, Wyss kernfaculteitslid en senior auteur van de studie.

Een andere methode die wordt gebruikt om 3D-structuren te bouwen, genaamd DNA-origami, is moeilijker te gebruiken om complexe vormen te bouwen, Yin zei, omdat het vertrouwt op een lange "steiger"-streng van DNA die vouwt om te interageren met honderden kortere "nietjes"-strengen - en elke nieuwe vorm vereist een nieuwe scaffold-routeringsstrategie en dus nieuwe nietjes. In tegenstelling tot, de DNA-baksteenmethode maakt geen gebruik van een steigerstreng en heeft daarom een ​​modulaire architectuur; elke steen kan afzonderlijk worden toegevoegd of verwijderd.

"We gaan razendsnel in ons vermogen om steeds krachtigere manieren te bedenken om biocompatibele DNA-moleculen te gebruiken als structurele bouwstenen voor nanotechnologie, die van grote waarde kunnen zijn voor zowel medische als niet-medische toepassingen, " zegt de oprichter van het Wyss Institute, Don Ingber, MD, doctoraat