In een nieuwe ontdekking die een grote stap vertegenwoordigt in het oplossen van een kritieke ontwerpuitdaging, Professor Hao Yan van de Arizona State University heeft een onderzoeksteam geleid om een ​​breed scala aan 2D- en 3D-structuren te produceren die de grenzen verleggen van het ontluikende veld van DNA-nanotechnologie.

Het gebied van DNA-nanotechnologie maakt gebruik van de ontwerpregels van de natuur en de chemische eigenschappen van DNA om zichzelf te assembleren tot een steeds complexere menagerie van moleculen voor biomedische en elektronische toepassingen. Enkele van de prestaties van het Yan-lab zijn het bouwen van Trojaanse paardenachtige structuren om de medicijnafgifte aan kankercellen te verbeteren, elektrisch geleidende gouden nanodraden, sensoren met één molecuul en programmeerbare moleculaire robots.

Met hun bio-geïnspireerde architecturale werken, de groep blijft de geometrische en fysieke grenzen van het bouwen op moleculair niveau verkennen.

"Mensen op dit gebied zijn erg geïnteresseerd in het maken van draadframe- of gaasstructuren, " zei Yan. "We moesten nieuwe ontwerpprincipes bedenken waarmee we met meer complexiteit in drie dimensies kunnen bouwen."

In hun nieuwste draai aan de technologie, Het team van Yan heeft nieuwe 2D- en 3D-objecten gemaakt die eruitzien als draadframekunst van bollen en moleculaire pincetten, schaar, een schroef, handventilator, en zelfs een spinnenweb.

Het Yan-lab, waaronder ASU Biodesign Institute-collega's Dongran Han, Suchetan Vriend, Shuoxing Jiang, Jeanette Nangreave en assistent-professor Yan Liu, publiceerden hun resultaten in het nummer van 22 maart van Wetenschap .

De twist in hun 'bottom up, ' moleculaire Lego-ontwerpstrategie richt zich op een DNA-structuur die een Holliday-junctie wordt genoemd. In de natuur, deze kruisvormige, dubbel gestapelde DNA-structuur is als de vierrichtingsverkeersstop van genetica - waar 2 afzonderlijke DNA-helices tijdelijk samenkomen om genetische informatie uit te wisselen. Het Holliday-knooppunt is het kruispunt dat verantwoordelijk is voor de diversiteit van het leven op aarde, en zorgt ervoor dat kinderen een unieke herschikking van eigenschappen uit het DNA van een moeder en vader krijgen.

In de natuur, de Holliday-junctie verdraait de dubbel gestapelde DNA-strengen in een hoek van ongeveer 60 graden, wat perfect is voor het uitwisselen van genen, maar soms frustrerend voor DNA-nanotechnologiewetenschappers, omdat het de ontwerpregels van hun structuren beperkt.

"In principe, je kunt de steiger gebruiken om meerdere lagen horizontaal met elkaar te verbinden, " [die veel onderzoeksteams hebben gebruikt sinds de ontwikkeling van DNA-origami door Paul Rothemund van Cal Tech in 2006]. Echter, als je in verticale richting gaat, de polariteit van DNA voorkomt dat je meerdere lagen maakt, " zei Yan. "Wat we moesten doen is de hoek draaien en hem dwingen om verbinding te maken."

Om de nieuwe structuren te maken die Yan voor ogen had, moest het Holliday-knooppunt opnieuw worden ontworpen door ongeveer een halve wijzerplaat rond het kruispunt te draaien en te draaien, of 150 graden. Een dergelijke prestatie is niet overwogen in bestaande ontwerpen.

"Het eerste idee was het moeilijkste deel, "zei Yan. "Je geest ziet niet altijd de mogelijkheden, dus je vergeet het. We moesten de conceptuele barrière doorbreken dat dit kon gebeuren."

In de nieuwe studie door de lengte van het DNA tussen elke Holliday-junctie te variëren, ze kunnen de geometrie op de Holliday-knooppunten in een onconventionele herschikking dwingen, de knooppunten flexibeler maken om voor het eerst in de verticale dimensie te bouwen. Yan noemt de barbecue-grillvormige structuur in de achtertuin een DNA-gridiron.

"We waren verbaasd dat het werkte!" zei Jan. "Toen we zagen dat het echt werkte, het was relatief eenvoudig om nieuwe ontwerpen te implementeren. Nu lijkt het achteraf makkelijk. Als je denkwijze wordt beperkt door de conventionele regels, het is echt moeilijk om de volgende stap te zetten. Als je die stap eenmaal hebt gezet, het wordt zo duidelijk."

De DNA Gridiron-ontwerpen zijn geprogrammeerd in een viraal DNA, waar een spaghetti-vormige enkele DNA-streng wordt uitgespuugd en samengevouwen met behulp van kleine 'nietjes'-strengen DNA die helpen bij het vormen van de uiteindelijke DNA-structuur. In een reageerbuis, het mengsel wordt verwarmd, dan snel afgekoeld, en alles assembleert zichzelf en vormt na afkoeling de uiteindelijke vorm. Volgende, met behulp van geavanceerde AFM- en TEM-beeldvormingstechnologie, ze zijn in staat om de vormen en afmetingen van de eindproducten te onderzoeken en vast te stellen dat ze correct zijn gevormd.

Deze aanpak heeft hen in staat gesteld om meerlaagse, 3D-structuren en gebogen objecten voor nieuwe toepassingen.

"Het grootste deel van ons onderzoeksteam is nu toegewijd aan het vinden van nieuwe toepassingen voor deze basistoolkit die we maken, " zei Yan. "Er is nog een lange weg te gaan en er zijn veel nieuwe ideeën om te verkennen. We moeten gewoon blijven praten met biologen, natuurkundigen en ingenieurs om hun behoeften te begrijpen en eraan te voldoen."