(Phys.org) — Is het mogelijk om zelfreplicerende nanomaterialen te construeren? Het zou kunnen zijn als we de bouwstenen van de natuur lenen. DNA is een zelfreplicerend molecuul waarvan de samenstellende delen, nucleotiden, hebben specifieke chemische interacties die het ontwerp van zelf-geassembleerde structuren mogelijk maken. In biologische systemen, DNA repliceert met behulp van eiwitten. Echter, Junghoon Kim, Junwy Lee, Shogo Hamada, Satoshi Murata, en Sung Ha Park van Sungkyunkwan University en Tohoku University hebben een controleerbaar zelfreplicerend systeem ontworpen dat geen eiwitten nodig heeft. Hun werk verschijnt in Natuur Nanotechnologie .

Om te begrijpen hoe dit zelfreplicerende proces werkt, het is belangrijk om de verschillende onderdelen te kennen. Kim et al. ontwierp twee DNA T-motieven, R ₁ en r ₂ , die dubbelstrengs DNA zijn bestaande uit functionele domeinen, gelabeld alfa en bèta, en "sticky" uiteinden als verbindingspunten. Ze ontwierpen ook een uitbreidingsmotief. Twaalf eenheden van de r ₁ motief zelf monteren tot een kleine ring, R ₁ , en twaalf eenheden van r ₂ plus twaalf uitbreidingsmotieven die zelf in een grotere ring worden geassembleerd, R ₂ .

Deze componenten kunnen zich in twee verschillende toestanden bevinden, "bevrucht" of "onbevrucht". De bevruchte structuren bevatten de kenmerken die nodig zijn voor replicatie. Bevruchting vindt plaats wanneer een enkelstrengs alfa- of bètadomein van een r ₁ of r ₂ motief bindt met een streng met een complementair alfa- of bètadomein. Dit laat een enkelstrengs uitsteeksel achter, of houvast, die zich uitstrekt van de ring of van het originele motief. De teensteunen geven aan dat de ring of het motief bevrucht is.

Deze teensteunen die zich uitstrekken van de DNA-ring, binden aan complementaire indringerstrengen. Wanneer dit gebeurt, de gehybridiseerde structuur bestaande uit de teengreep en de binnenvallende streng breekt af van de initiële ring, en eventueel, omdat deze stukjes afbreken door takmigratie, ze assembleren zichzelf tot een andere ring.

Dit proces gaat verder via twee verschillende replicatieroutes. Eén pad groeit exponentieel. De andere route groeit volgens de reeks van Fibonacci. De specifieke route die wordt gevolgd, hangt af van welke binnenvallende strengen aan het systeem worden toegevoegd.

De auteurs hebben geverifieerd dat de DNA-ringpopulaties groeiden door dit door de voet gemedieerde proces met AFM- en absorptiestudies. Voor de AFM-onderzoeken ze namen een klein monster van elke fase en bepaalden het gemiddelde aantal ringen dat in die fase aanwezig was. Absorptiegegevens werden aangepast om de relatieve concentratie van ringen in elke fase te bepalen.

Ze verifieerden ook dat de dochterringen het resultaat waren van annealing aan de enkelstrengige teensteunen van de initiële ring in plaats van het resultaat van zelfassemblage van resterende DNA-motieven in oplossing met behulp van gelelektroforese en het extraheren van de DNA-producten uit elke fase. De afzonderlijke fasen werden bestudeerd met AFM en binnendringende strengen werden tijdens elk van de fasen aan een oplossing toegevoegd om te zien of er ringen werden gevormd.

Kim, et al. toonde aan dat zelfreplicatie op nanoschaal kan plaatsvinden met behulp van de thermodynamische eigenschappen van door de toehold gemedieerde strengverplaatsing en de zelfassemblagecapaciteiten van DNA-motieven. In deze studie assembleren synthetische DNA T-motieven zichzelf tot structuren die opeenvolgende reacties mogelijk maken. Dit onderzoek toont de mogelijkheid aan van functioneel programmeerbare zelfreplicerende nanostructuren.

© 2015 Fys.org