De nieuwste DNA-nanoapparaten gemaakt aan de Technische Universitaet Muenchen (TUM), waaronder een robot met beweegbare armen, een boek dat opent en sluit, een schakelbare versnelling, en een actuator - kan op zichzelf al intrigerend zijn, maar daar gaat het niet om. Ze demonstreren een doorbraak in de wetenschap van het gebruik van DNA als programmeerbaar bouwmateriaal voor structuren en machines op nanometerschaal. Resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap een nieuwe benadering onthullen voor het samenvoegen en herconfigureren van modulaire 3D-bouweenheden, door complementaire vormen aan elkaar te klikken in plaats van strings van basenparen aan elkaar te ritsen. Dit opent niet alleen de weg voor praktische nanomachines met bewegende delen, maar biedt ook een toolkit die het gemakkelijker maakt om hun zelfassemblage te programmeren.

Het veld dat in de volksmond bekend staat als "DNA-origami, "verwijzend naar de traditionele Japanse kunst van het vouwen van papier, vordert snel naar praktische toepassingen, volgens TUM Prof. Hendrik Dietz. Eerder deze maand, Dietz kreeg de belangrijkste Duitse onderzoeksprijs, de Gottfried Wilhelm Leibniz-prijs, voor zijn rol in deze vooruitgang.

In recente jaren, Dietz en zijn team zijn verantwoordelijk geweest voor grote stappen in de richting van toepassingen:experimentele apparaten waaronder een synthetisch membraankanaal gemaakt van DNA; ontdekkingen die de tijd die nodig is voor zelfassemblageprocessen terugbrengen van een week tot een paar uur en opbrengsten van bijna 100% mogelijk maken; het bewijs dat uiterst complexe constructies kunnen worden geassembleerd, zoals ontworpen, met subnanometerprecisie.

Maar al die vorderingen maakten gebruik van "basenparen" om te bepalen hoe individuele strengen en samenstellingen van DNA zouden aansluiten bij andere in oplossing. Wat nieuw is, is de "lijm".

"Als je eenmaal een eenheid met basenparen hebt gebouwd, "Dietz legt uit, "het is moeilijk uit elkaar te halen. Dus dynamische structuren die met die benadering zijn gemaakt, waren meestal structureel eenvoudig." Om een ​​breder scala aan DNA-nanomachines met bewegende delen en potentieel bruikbare mogelijkheden mogelijk te maken, het team paste nog twee technieken uit de biomoleculaire toolkit van de natuur aan:de manier waarop eiwitten vormcomplementariteit gebruiken om het koppelen met andere moleculen te vereenvoudigen, en hun neiging om relatief zwakke bindingen te vormen die gemakkelijk kunnen worden verbroken wanneer ze niet langer nodig zijn.

Bio-geïnspireerde flexibiliteit

Voor de experimenten gerapporteerd in Wetenschap , Dietz en zijn co-auteurs - promovendi Thomas Gerling en Klaus Wagenbauer, en bachelorstudent Andrea Neuner van TUM's Munich School of Engineering - liet zich inspireren door een mechanisme waarmee nucleïnezuurmoleculen kunnen binden door interacties die zwakker zijn dan basenparing. In de natuur, zwakke bindingen kunnen worden gevormd wanneer het op RNA gebaseerde enzym RNase P het zogenaamde transfer-RNA "herkent"; de moleculen worden binnen voldoende afstand geleid, zoals het aanmeren van ruimtevaartuigen, door hun complementaire vormen.

De nieuwe technologie uit het lab van Dietz imiteert deze aanpak. Om een ​​dynamische DNA-nanomachine te maken, de onderzoekers beginnen met het programmeren van de zelfassemblage van 3D-bouwstenen die zijn gevormd om in elkaar te passen. Een zwakke, een bindingsmechanisme op korte afstand, nucleobase-stapeling genaamd, kan vervolgens worden geactiveerd om deze eenheden op hun plaats te klikken. Er zijn drie verschillende methoden beschikbaar om de vorm en werking van op deze manier gemaakte apparaten te regelen.

"Wat dit ons heeft opgeleverd, is een gelaagde hiërarchie van interactiesterkten, "Dietz zegt, "en het vermogen om - precies waar we ze nodig hebben - stabiele domeinen te positioneren die bindingspartners kunnen herkennen en ermee kunnen communiceren." Het team produceerde een reeks DNA-apparaten - variërend van filamenten op micrometerschaal die technologische "flagella" zouden kunnen voorstellen tot nanoschaalmachines met bewegende delen - om de mogelijkheden te demonstreren en de limieten te testen.

Bijvoorbeeld, transmissie-elektronenmicrofoto's van een driedimensionale, humanoïde robot op nanoschaal bevestigt dat de stukjes precies in elkaar passen zoals ze zijn ontworpen. In aanvulling, ze laten zien hoe een eenvoudige controlemethode - het veranderen van de concentratie van positieve ionen in oplossing - actief kan schakelen tussen verschillende configuraties:gemonteerd of gedemonteerd, met "armen" wijd open of rustend aan de kant van de robot.

Een andere methode om een ​​DNA-nanodevice tussen zijn verschillende structurele toestanden te schakelen - door simpelweg de temperatuur te verhogen en te verlagen - bleek bijzonder robuust te zijn. Voor apparaten van eerdere generaties, dit vereiste het scheiden en opnieuw samenvoegen van DNA-basenparen, en dus waren de systemen "versleten" door verdunning en nevenreacties na slechts enkele schakelcycli. Een schaarachtige actuator die in het huidige artikel wordt beschreven, onderging meer dan duizend temperatuurgeschakelde cycli gedurende een periode van vier dagen zonder tekenen van degradatie.

"Temperatuurcyclus is een manier om energie in het systeem te stoppen, "Dietz voegt eraan toe, "Dus als de omkeerbare conformationele overgang zou kunnen worden gekoppeld aan een continu evoluerend proces, we hebben nu eigenlijk een manier om niet alleen nanomachines te bouwen, maar ook om ze aan te drijven."

"Een handomdraai" - als kinderspel

Er is nog een andere dimensie aan de flexibiliteit die wordt verkregen door het toevoegen van vormcomplementaire componenten en zwakke binding aan de DNA-nanotechnologie-toolkit. Zelfassemblage programmeren door alleen basenparen te gebruiken, is als het schrijven van computercode in machinetaal. De hoop is dat deze nieuwe benadering het gemakkelijker zal maken om DNA-origami naar praktische doeleinden te buigen, op vrijwel dezelfde manier zorgde de komst van computerprogrammeertalen op een hoger niveau voor vooruitgang in software-engineering.

Dietz vergelijkt het met bouwen met kinderspeelgoed zoals LEGO:"Je ontwerpt de componenten om complementair te zijn, en dat is het. Geen gehannes meer met basenpaarsequenties om componenten te verbinden."