Wetenschappers over de hele wereld gebruiken de programmeerbaarheid van DNA om complexe structuren op nanometerschaal samen te stellen. Tot nu, echter, de productie van deze kunstmatige structuren is beperkt tot op water gebaseerde omgevingen, omdat DNA van nature functioneert in de waterige omgeving van levende cellen.

Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben nu aangetoond dat ze DNA-nanostructuren kunnen assembleren in een oplosmiddel dat geen water bevat. Ze ontdekten ook dat het toevoegen van een kleine hoeveelheid water aan hun oplosmiddel de montagesnelheid verhoogt en een nieuwe manier biedt om het proces te beheersen. Het oplosmiddel kan ook de productie van complexere structuren vergemakkelijken door het probleem van DNA dat vast komt te zitten in onbedoelde structuren te verminderen.

Het onderzoek zou nieuwe toepassingen voor DNA-nanotechnologie kunnen openen, en helpen bij het toepassen van DNA-technologie bij de fabricage van halfgeleider- en plasmonstructuren op nanoschaal. Gesponsord door de National Science Foundation en NASA, het onderzoek zal worden gepubliceerd als de cover story in Volume 54, Nummer 23 van het tijdschrift Internationale editie van Angewandte Chemie .

"DNA-nanotechnologiestructuren worden steeds complexer, en dit oplosmiddel kan onderzoekers helpen die in dit groeiende veld werken, " zei Nicholas Hud, een professor in de School of Chemistry and Biochemistry van Georgia Tech. "Met dit werk we hebben aangetoond dat DNA-nanostructuren kunnen worden geassembleerd in een watervrij oplosmiddel, en dat we water met hetzelfde oplosmiddel kunnen mengen om de montage te versnellen. We kunnen de structuren die in dit oplosmiddel zijn geassembleerd ook vermengen met water - het water verwijderen door vacuüm toe te passen - en de DNA-structuren intact laten in het watervrije oplosmiddel."

De assemblagesnelheid van DNA-nanostructuren kan erg langzaam zijn, en is sterk afhankelijk van de temperatuur. Het verhogen van de temperatuur verhoogt deze snelheid, maar te hoge temperaturen kunnen ervoor zorgen dat de DNA-structuren uit elkaar vallen. Het door Georgia Tech ontwikkelde oplosmiddelsysteem voegt een nieuw niveau van controle over de DNA-assemblage toe. DNA-structuren assembleren bij lagere temperaturen in dit oplosmiddel, en het toevoegen van water kan de viscositeit van het oplosmiddel aanpassen, wat een snellere montage mogelijk maakt in vergelijking met de watervrije versie van het oplosmiddel.

"Dit oplosmiddel verandert de regels, " zei Isaac Gallego, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Hud en de eerste auteur van het artikel. "We hebben nu een tool die de kinetiek en thermodynamica van DNA-assemblage in één oplosmiddel regelt. Dit oplosmiddel biedt ook verbeterde eigenschappen voor nanotechnologie en voor de stabiliteit van deze nanomaterialen in oplossing."

Gállego had in DNA-nanotechnologie gewerkt voordat hij naar Georgia Tech kwam, en was ervan overtuigd dat alternatieve oplosmiddelen dit veld zouden kunnen bevorderen. Bij Georgia Tech evalueerde hij nieuwe oplosmiddelen voor gebruik met DNA-nanostructuren, oplosmiddelen die voor andere doeleinden zijn ontworpen. Een oplosmiddel dat hij testte, genaamd glycholine dat een mengsel is van glycerol en cholinechloride, liet een tweedimensionale DNA-origamistructuur in zes dagen toe bij een temperatuur van 20 graden Celsius.

Niet alleen assembleerde de glycholine de DNA-structuur bij een relatief lage temperatuur, maar het vermeed ook "kinetische vallen, " tussenstructuren die stabiel zijn, maar niet de gewenste structuur, zei Gallego. Structuren die niet volledig kunnen worden geassembleerd, zijn een belangrijke bron van lage opbrengsten in het DNA-nanofabricageproces.

"Dit oplosmiddel zou een nieuw hulpmiddel kunnen zijn om meer gecompliceerde ontwerpen met DNA te maken, omdat je kunt voorkomen dat deze complexe structuren in tussenstappen worden gevangen, " voegde hij eraan toe. "Kinetische vallen behoren tot de knelpunten voor het produceren van meer gecompliceerde DNA-nanostructuren."

Glycholine is mengbaar in water, zodat het in elke verhouding met water kan worden gemengd om de kinetiek van het assemblageproces te regelen. Bijvoorbeeld, één structuur die in zes dagen in zuiver oplosmiddel wordt geassembleerd, zal in drie uur worden geassembleerd in een glycoline-oplossing die 10 procent water bevat. Een belangrijk kenmerk van het nieuwe oplosmiddelsysteem is dat er geen wijzigingen nodig zijn in bestaande DNA-nanotechnologieontwerpen die zijn ontwikkeld voor water.

"Je kunt heen en weer gaan tussen gehydrateerde en niet-gehydrateerde toestanden, " zei Gállego. "Dit oplosmiddelsysteem behoudt de DNA-structuren die zijn ontwikkeld om in water te werken."

Het oplosmiddelsysteem zou het gecombineerde gebruik van metalen nanodeeltjes en op DNA gebaseerde materialen kunnen verbeteren. In de typische waterige oplosmiddelen waar DNA-nanotechnologie wordt uitgevoerd, nanodeeltjes zijn gevoelig voor aggregatie. De lage vluchtigheid van het oplosmiddel zou ook de opslag van geassembleerde DNA-structuren mogelijk maken zonder de zorg dat een medium op waterbasis zou uitdrogen.

Het onderzoeksteam, waaronder ook Martha Grover van Georgia Tech's School of Chemical &Biomolecular Engineering, heeft tot dusver het oplosmiddel gebruikt om drie structuren te assembleren, inclusief twee DNA-origamistructuren. Bij toekomstig werk, ze hopen de controle van watervrije oplosmiddelen te gebruiken om dynamische DNA-structurele herschikkingen te verkrijgen die niet mogelijk zijn in water, en andere oplosmiddelen onderzoeken die mogelijk aanvullende eigenschappen hebben die aantrekkelijk zijn voor nanotechnologietoepassingen.

"We waren er al die tijd van overtuigd dat we een oplosmiddel zouden vinden dat compatibel zou zijn met bestaande DNA-nanotechnologie, " voegde Hud toe, die ook directeur is van het NSF-NASA Center for Chemical Evolution en associate director van het Parker H. Petit Institute of Bioengineering and Bioscience, beide bij Georgia Tech. "Wat verrassend was, was het vinden van een oplosmiddel waarmee structuren gemakkelijker kunnen worden geassembleerd dan in water. Dat was volkomen onverwacht omdat DNA-nanotechnologie in water werd ontwikkeld."

Het onderzoek naar watervrije oplosmiddelen is voortgekomen uit Georgia Tech-onderzoek naar de oorsprong van het leven. Hud en collega's hadden zich afgevraagd of de moleculen die nodig zijn voor het leven, zoals de voorouder van DNA, zich in een watervrije oplossing had kunnen ontwikkelen. In sommige gevallen, hij merkte, de chemie die nodig is om de moleculen van het leven te maken, zou veel gemakkelijker zijn zonder de aanwezigheid van water.

"Dit werk werd geïnspireerd door onderzoek naar de oorsprong van het leven met de fundamentele vraag of complexe DNA-structuren zouden kunnen bestaan ​​in niet-waterige oplosmiddelen, en we hebben laten zien dat ze dat kunnen, " zei Hud. "En wat we hebben gevonden door met deze nieuwe oplosmiddelen te werken, kan helpen bij het beantwoorden van enkele vragen over de oorsprong van het leven, terwijl het ook toepassingen heeft in nanotechnologie."