Beweeg over, nanotechnologen, en maak plaats voor de grootste van de kleine. Wetenschappers van het Wyss Institute van Harvard hebben een set zelfassemblerende DNA-kooien gebouwd die een tiende zo breed zijn als een bacterie. De structuren zijn enkele van de grootste en meest complexe structuren die ooit uitsluitend uit DNA zijn geconstrueerd, ze rapporteren de online editie van vandaag van Wetenschap .

Bovendien, de wetenschappers visualiseerden ze met behulp van een op DNA gebaseerde superresolutiemicroscopiemethode - en verkregen de eerste scherpe 3D-optische beelden van intacte synthetische DNA-nanostructuren in oplossing.

In de toekomst, wetenschappers zouden mogelijk de DNA-kooien kunnen coaten om hun inhoud te omsluiten, verpakken van medicijnen voor levering aan weefsels. En, als een ruime kast, de kooi kan worden aangepast met chemische haken die kunnen worden gebruikt om andere componenten op te hangen, zoals eiwitten of gouden nanodeeltjes. Dit zou wetenschappers kunnen helpen bij het bouwen van een verscheidenheid aan technologieën, inclusief kleine energiecentrales, minuscule fabrieken die speciale chemicaliën produceren, of hooggevoelige fotonische sensoren die ziekte diagnosticeren door moleculen te detecteren die door abnormaal weefsel worden geproduceerd.

"Ik zie spannende mogelijkheden voor deze technologie, " zei Peng Yin, doctoraat, een lid van de kernfaculteit aan het Wyss Institute en universitair docent systeembiologie aan de Harvard Medical School, en senior auteur van het artikel.

Bouwen met DNA

DNA is vooral bekend als een bewaarder van genetische informatie. Maar wetenschappers in het opkomende gebied van DNA-nanotechnologie onderzoeken manieren om het te gebruiken om kleine structuren te bouwen voor een verscheidenheid aan toepassingen. Deze structuren zijn programmeerbaar, in dat wetenschappers de volgorde van letters kunnen specificeren, of bases, in het DNA, en die sequenties bepalen vervolgens de structuur die het creëert.

Tot nu toe hebben de meeste onderzoekers in het veld een methode gebruikt die DNA-origami wordt genoemd, waarin korte strengen DNA twee of drie afzonderlijke segmenten van een veel langere streng aan elkaar stapelen, waardoor die streng in een precieze vorm vouwt. DNA-origami werd gedeeltelijk ontwikkeld door William Shih, lid van de kernfaculteit van Wyss Institute, doctoraat, die ook een universitair hoofddocent is bij de afdeling Biologische Chemie en Moleculaire Farmacologie aan de Harvard Medical School en de afdeling Kankerbiologie aan het Dana-Farber Cancer Institute.

Het team van Yin heeft verschillende soorten DNA-structuren gebouwd, inclusief een modulaire set onderdelen die enkelstrengs DNA-tegels of DNA-stenen worden genoemd. Net als LEGO® stenen, deze onderdelen kunnen onafhankelijk worden toegevoegd of verwijderd. In tegenstelling tot LEGO® stenen, ze assembleren spontaan.

Maar voor sommige toepassingen wetenschappers moeten misschien veel grotere DNA-structuren bouwen dan wie dan ook tot nu toe heeft gebouwd. Dus, toe te voegen aan hun gereedschapskist, Het team van Yin zocht veel grotere bouwstenen die bij elkaar pasten.

Technische uitdagingen

Yin en zijn collega's gebruikten eerst DNA-origami om extra grote bouwstenen te maken in de vorm van een statief voor een fotograaf. Het plan was om die driepootpoten zo te ontwerpen dat ze van begin tot eind aan elkaar zouden worden bevestigd om veelvlakken te vormen - objecten met veel platte vlakken die zelf driehoeken zijn, rechthoeken, of andere veelhoeken.

Maar toen Yin en de drie hoofdauteurs van de krant, Ryosuke Iinuma, een voormalig Wyss Institute Visiting Fellow, Yonggang Ke, doctoraat, een voormalige Wyss Postdoctoral Fellow die nu een assistent-professor Biomedical Engineering is aan het Georgia Institute of Technology en Emory University, en Ralf Jungman, doctoraat, een Wyss postdoctoraal onderzoeker, bouwde grotere statieven en probeerde ze in veelvlakken te assembleren, de poten van de grote statieven zouden spreiden en wiebelen, die hen ervan weerhield om veelvlakken te maken.

De onderzoekers hebben dat probleem omzeild door een horizontale steun in te bouwen om elk paar poten te stabiliseren, net zoals een meubelmaker een stuk hout zou gebruiken om de poten van een wiebelende stoel te overbruggen.

Om de statiefpoten van begin tot eind aan elkaar te lijmen, ze maakten gebruik van het feit dat overeenkomende DNA-strengen paren en aan elkaar hechten. Ze lieten een DNA-label hangen aan een statiefpoot, en een bijpassende tag op de poot van een ander statief waarmee ze wilden combineren.

Het team programmeerde DNA om op te vouwen tot stevige statieven die 60 keer groter zijn dan eerdere DNA-statiefachtige bouwstenen en 400 keer groter dan DNA-stenen. Die statieven werden vervolgens zelf geassembleerd tot een specifiek type driedimensionaal veelvlak - allemaal in een enkele reageerbuis.

Door de lengte van de steun aan te passen, ze bouwden statieven die varieerden van rechtop tot gespreid. Meer rechtopstaande statieven vormden veelvlakken met minder vlakken en scherpere hoeken, zoals een tetraëder, die vier driehoekige vlakken heeft. Meer statieven met gespreide poten vormden veelvlakken met meer gezichten, zoals een zeshoekig prisma, die de vorm heeft van een kaaswiel en acht gezichten heeft, inclusief de boven- en onderkant.

In alles, ze creëerden vijf veelvlakken:een tetraëder, een driehoekig prisma, een kubus, een vijfhoekig prisma, and a hexagonal prism.

Ultrasharp snapshots

After building the cages, the scientists visualized them using a DNA-based microscopy method Jungmann had helped developed called DNA-PAINT. In DNA-PAINT, short strands of modified DNA cause points on a structure to blink, and data from the blinking images reveal structures too small to be seen with a conventional light microscope. DNA-PAINT produced ultrasharp snapshots of the researchers' DNA cages – the first 3D snapshots ever of single DNA structures in their native, watery environment.

"Bioengineers interested in advancing the field of nanotechnology need to devise manufacturing methods that build sturdy components in a highly robust manner, and develop self-assembly methods that enable formation of nanoscale devices with defined structures and functions, " zei Don Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat "Peng's DNA cages and his methods for visualizing the process in solution represent major advances along this path."