DNA heeft de aandacht getrokken vanwege zijn potentieel als een programmeerbaar materiaalplatform dat geheel nieuwe en revolutionaire nanodevices in de informatica zou kunnen voortbrengen, microscopie, biologie, en meer. Onderzoekers hebben het vermogen onder de knie te krijgen om DNA-moleculen over te halen om zichzelf te assembleren in de precieze vormen en maten die nodig zijn om deze nanotechnologiedromen volledig te realiseren.

De laatste 20 jaar, wetenschappers hebben geprobeerd grote DNA-kristallen te ontwerpen met nauwkeurig voorgeschreven diepte en complexe kenmerken - een ontwerpzoektocht die zojuist is vervuld door een team van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard. Het team bouwde 32 DNA-kristallen met nauwkeurig gedefinieerde diepte en een assortiment geavanceerde driedimensionale (3D) functies, een voorschot gemeld in Natuurchemie .

Het team gebruikte hun "DNA-brick self-assembly"-methode, die voor het eerst werd onthuld in een 2012 Wetenschap publicatie toen ze meer dan 100 3D-complexe nanostructuren maakten ter grootte van virussen. De nieuw bereikte periodieke kristalstructuren zijn meer dan 1000 keer groter dan die discrete DNA-steenstructuren, dichter bij een stofje, wat eigenlijk vrij groot is in de wereld van DNA-nanotechnologie.

"We zijn erg blij dat onze DNA-baksteenaanpak deze uitdaging heeft opgelost, " zei senior auteur en Wyss Institute Core Faculty lid Peng Yin, doctoraat, die ook universitair hoofddocent systeembiologie is aan de Harvard Medical School, "en we waren eigenlijk verrast door hoe goed het werkt."

Wetenschappers hebben moeite gehad om complexe 3D-DNA-nanostructuren te kristalliseren met behulp van meer conventionele zelfassemblagemethoden. Het risico op fouten neemt meestal toe met de complexiteit van de structurele herhalende eenheden en de grootte van het te assembleren DNA-kristal.

De DNA-baksteenmethode maakt gebruik van korte, synthetische strengen DNA die werken als in elkaar grijpende Lego®-stenen om complexe structuren te bouwen. Structuren worden eerst ontworpen met behulp van een computermodel van een moleculaire kubus, dat een meesterdoek wordt. Elke steen wordt onafhankelijk van het 3D-mastercanvas toegevoegd of verwijderd om tot de gewenste vorm te komen - en dan wordt het ontwerp in werking gezet:de DNA-strengen die bij elkaar passen om de gewenste structuur te bereiken, worden met elkaar vermengd en assembleren zichzelf om de ontworpen kristal structuren.

"Daarin ligt het belangrijkste onderscheidende kenmerk van onze ontwerpstrategie:de modulariteit, " zei co-hoofdauteur Yonggang Ke, doctoraat, voorheen een Wyss Institute Postdoctoral Fellow en nu een assistent-professor aan het Georgia Institute of Technology en Emory University. "De mogelijkheid om eenvoudig stukken toe te voegen aan of te verwijderen van het mastercanvas maakt het gemakkelijk om vrijwel elk ontwerp te maken."

De modulariteit maakt het ook relatief eenvoudig om de kristaldiepte nauwkeurig te definiëren. "Dit is de eerste keer dat iemand het vermogen heeft aangetoond om rationeel kristaldiepte te ontwerpen met nanometerprecisie, tot 80 nm in deze studie, " zei Ke. In tegenstelling, eerdere tweedimensionale DNA-roosters zijn typisch enkellaagse structuren met slechts 2 nm diepte.

"DNA-kristallen zijn aantrekkelijk voor nanotechnologietoepassingen omdat ze bestaan ​​uit herhalende structurele eenheden die een ideaal sjabloon vormen voor schaalbare ontwerpkenmerken", zei co-lead auteur afgestudeerde student Luvena Ong.

Verder, als onderdeel van deze studie toonde het team het vermogen aan om gouden nanodeeltjes te positioneren in voorgeschreven 2D-architecturen op minder dan twee nanometer van elkaar langs de kristalstructuur - een cruciaal kenmerk voor toekomstige kwantumapparaten en een belangrijke technische vooruitgang voor hun schaalbare productie, zei mede-hoofdauteur Wei Sun, doctoraat, Wyss Institute postdoctoraal onderzoeker.

"Mijn vooroordelen over de beperkingen van DNA zijn consequent verbrijzeld door onze nieuwe vooruitgang in DNA-nanotechnologie, " zei William Shih, doctoraat, die co-auteur is van de studie en een lid van de Wyss Institute Founding Core Faculty, evenals universitair hoofddocent bij de afdeling Biologische Chemie en Moleculaire Farmacologie aan de Harvard Medical School en de afdeling Kankerbiologie aan het Dana-Farber Cancer Institute. "DNA-nanotechnologie maakt het ons nu mogelijk om te assembleren, op een programmeerbare manier, voorgeschreven structuren die wedijveren met de complexiteit van veel moleculaire machines die we in de natuur zien."

"Het team van Pengs gebruikt de zelfassemblagemethode van DNA-stenen om in een indrukwekkend tempo de basis te leggen voor het nieuwe landschap van DNA-nanotechnologie. " zei Don Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat "Wat louter visies waren van hoe het DNA-molecuul kon worden gebruikt om alles vooruit te helpen, van de halfgeleiderindustrie tot biofysica, worden snel realiteit."