Twee belangrijke belemmeringen voor de vooruitgang van DNA-nanotechnologie buiten het onderzoekslaboratorium zijn weggenomen. Deze opkomende technologie maakt gebruik van DNA als programmeerbaar bouwmateriaal voor zelf-geassembleerde, structuren op nanometerschaal. Er zijn veel praktische toepassingen bedacht, en onderzoekers hebben onlangs een synthetisch membraankanaal aangetoond dat is gemaakt van DNA. Tot nu, echter, ontwerpprocessen werden gehinderd door een gebrek aan structurele feedback. Montage was traag en vaak van slechte kwaliteit. Nu hebben onderzoekers onder leiding van prof.dr. Hendrik Dietz van de Technische Universitaet Muenchen (TUM) deze belemmeringen weggenomen.

Een barrière die het veld tegenhield, was een onbewezen veronderstelling. Onderzoekers waren in staat om een ​​breed scala aan discrete objecten te ontwerpen en precies te specificeren hoe DNA-strengen aan elkaar moeten ritsen en in de gewenste vormen moeten vouwen. Ze konden aantonen dat de resulterende nanostructuren goed overeenkwamen met de ontwerpen. Nog steeds ontbreekt, Hoewel, was de validatie van de veronderstelde nauwkeurige positionele controle op subnanometerschaal. Dit is voor het eerst bevestigd door analyse van een speciaal voor dit doel ontworpen testobject. Een technische doorbraak gebaseerd op vooruitgang in fundamenteel begrip, deze demonstratie heeft gezorgd voor een cruciale realiteitscheck voor DNA-nanotechnologie.

In een aparte reeks experimenten, de onderzoekers ontdekten dat de tijd die nodig is om een ​​batch complexe DNA-gebaseerde objecten te maken, kan worden teruggebracht van een week tot een kwestie van minuten, en dat het rendement bijna 100% kan zijn. Ze toonden voor het eerst aan dat bij een constante temperatuur, honderden DNA-strengen kunnen samenwerken om een ​​object te vormen - correct, zoals ontworpen - binnen enkele minuten. Verrassend genoeg, ze zeggen, het proces is vergelijkbaar met het vouwen van eiwitten, ondanks aanzienlijke chemische en structurele verschillen. "Bij het zien van deze combinatie van snel vouwen en hoge opbrengst, "Dietz zegt, "we hebben een sterker gevoel dan ooit dat DNA-nanotechnologie zou kunnen leiden tot een nieuw soort productie, met een commerciële, zelfs industriële toekomst." En er zijn onmiddellijke voordelen, voegt hij eraan toe:"Nu hoeven we geen week te wachten op feedback over een experimenteel ontwerp, en assemblageprocessen met meerdere stappen zijn ineens zoveel praktischer geworden."

Atomair nauwkeurige besturing

Om de aanname te testen dat discrete DNA-objecten kunnen worden geassembleerd zoals ontworpen met subnanometerprecisie, TUM-biofysici werkten samen met wetenschappers van het MRC Laboratory of Molecular Biology in Cambridge, VK. Ze produceerden een relatief grote driedimensionale op DNA gebaseerde structuur, asymmetrisch om de oriëntatie te helpen bepalen, en het opnemen van onderscheidende ontwerpmotieven.

Beeldvorming met subnanometerresolutie met elektronenmicroscopie bij lage temperatuur stelde de onderzoekers in staat om het object in kaart te brengen - dat meer dan 460, 000 atomen - met details op subnanometerschaal. Omdat het object bevat, in werkelijkheid, een hele bibliotheek met verschillende ontwerpelementen, het zal ook dienen als een bron voor verder onderzoek. De resultaten, gemeld in Proceedings van de National Academy of Sciences , demonstreren niet alleen atomair nauwkeurige montage, maar laten ook zien dat dergelijke structuren, waarvan vroeger werd gedacht dat het geleiachtig en flexibel was, zijn stijf genoeg om te worden onderzocht door elektronenmicroscopie.

Snelle verwerking, bijna 100% opbrengst

In tegenstelling tot, DNA-objecten met 19 verschillende ontwerpen - waaronder plaatachtige, tandwielachtig, en baksteenachtige vormen - werden gebruikt voor een tweede reeks experimenten bij TUM, gemeld in het laatste nummer van Wetenschap . Hier lag de focus van de onderzoekers op de dynamiek van het vouwen en ontvouwen van DNA. Het gebruikelijke zelfassemblageproces wordt vaak beschreven als een "eenpotreactie":DNA-strengen die als sjabloon zullen dienen, instructies, en bouwmateriaal voor een ontworpen object bij een relatief hoge temperatuur bij elkaar worden geplaatst waar ze gescheiden blijven; de temperatuur wordt geleidelijk verlaagd, en ergens langs de lijn ritsen de DNA-strengen samen om de gewenste structuren te vormen.

Door dit proces in ongekend detail te observeren, de TUM-onderzoekers ontdekten dat alle actie plaatsvindt binnen een specifiek en relatief smal temperatuurbereik, die verschilt afhankelijk van het ontwerp van het object. Een praktische implicatie is dat, zodra de optimale temperatuur voor een bepaald ontwerp is bepaald, DNA-zelfassemblage - nanofabricage, in wezen - kan worden bereikt door snelle processen bij constante temperaturen. In navolging van dit spoor, de onderzoekers ontdekten dat ze binnen enkele minuten in plaats van dagen objecten konden "massaproductie" van honderden DNA-strengen, met bijna geen defecte objecten of bijproducten in de resulterende batch.

"Naast ons te vertellen dat complexe DNA-objecten maakbaar zijn, "Dietz zegt, "Deze resultaten suggereren iets dat we ons voorheen nauwelijks hadden durven voorstellen - dat het mogelijk zou kunnen zijn om DNA-nanodevices in een celcultuur of zelfs in een levende cel te assembleren."

Vanuit het oogpunt van fundamentele biologie, het meest intrigerende resultaat van deze experimenten is misschien wel de ontdekking dat DNA-vouwing meer lijkt op eiwitvouwing dan verwacht. Chemisch en structureel, de twee families van biomoleculen zijn behoorlijk verschillend. Maar de onderzoekers observeerden duidelijk gedefinieerde "coöperatieve" stappen bij het vouwen van complexe DNA-objecten, in principe niet anders dan mechanismen die aan het werk zijn bij het vouwen van eiwitten. Ze speculeren dat verdere experimenten met zelfassemblage van ontworpen DNA-objecten kunnen helpen om de mysteries van eiwitvouwing te ontrafelen, dat is complexer en minder toegankelijk voor directe studie.