DNA, de moleculaire basis van het leven, heeft nieuwe trucs in petto. De vier bases waaruit het is samengesteld klikken in elkaar als puzzelstukjes en kunnen kunstmatig worden gemanipuleerd om eindeloos gevarieerde vormen in twee en drie dimensies te construeren. De techniek, bekend als DNA-origami, belooft futuristische micro-elektronica en biomedische innovaties op de markt te brengen.

Hoi Yan, een onderzoeker aan het Biodesign Institute van de Arizona State University, heeft jarenlang gewerkt om de techniek te verfijnen. Zijn doel is om nieuwe sets ontwerpregels samen te stellen, het bereik van nanoschaalarchitecturen die door de methode worden gegenereerd enorm uitbreiden. Bij nieuw onderzoek een verscheidenheid aan innovatieve nanovormen worden beschreven, elk met ongekende ontwerpcontrole.

Yan is de Milton D. Glick Distinguished Chair of Chemistry and Biochemistry en leidt het Center for Molecular Design and Biomimetics van Biodesign.

In de huidige studie, complexe nanovormen met willekeurige wireframe-architecturen zijn gemaakt, met behulp van een nieuwe set ontwerpregels. "Eerdere ontwerpmethoden gebruikten strategieën, waaronder parallelle rangschikking van DNA-helices om willekeurige vormen te benaderen, maar nauwkeurige afstemming van DNA-draadframe-architecturen die hoekpunten in de 3D-ruimte verbinden, vereist een nieuwe aanpak, "zegt Jan.

Yan is al lang gefascineerd door het schijnbaar grenzeloze vermogen van de natuur voor ontwerpinnovatie. De nieuwe studie beschrijft wireframe-structuren van hoge complexiteit en programmeerbaarheid, vervaardigd door de nauwkeurige controle van vertakking en kromming, met behulp van nieuwe organisatorische principes voor de ontwerpen. (Wireframes zijn driedimensionale skeletmodellen die puur door lijnen en hoekpunten worden weergegeven.)

De resulterende nanovormen omvatten symmetrische roosterarrays, quasikristallijne structuren, kromlijnige arrays, en een eenvoudige draadkunstschets in de schaal van 100 nm, evenals 3D-objecten, waaronder een stompe kubus met 60 randen en 24 hoekpunten en een herconfigureerbare Archimedische vaste stof die kan worden bestuurd om de ontvouwende en opnieuw vouwende overgangen tussen 3D en 2D te maken.

Het onderzoek verschijnt in de geavanceerde online editie van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Bij eerdere onderzoeken is de Yan-groep creëerde subtiele architecturale vormen op een verbazingwekkend kleine schaal, sommige meten slechts tientallen nanometers in doorsnee - ongeveer de diameter van een virusdeeltje. Deze nano-objecten omvatten bollen, spiralen, kolven, Möbius vormen, en zelfs een autonome spinachtige robot die een voorbereid DNA-spoor kan volgen.

De techniek van DNA-origami speelt in op de eenvoudige basenparende eigenschappen van DNA, een molecuul opgebouwd uit de vier nucleotiden Adenine (A), Thymine (T) Cytosine (C) en (Guanine). De spelregels zijn simpel:A's koppelen altijd met T's en C's met G's. Met behulp van deze verkorte woordenschat, de talloze lichaamsplannen van alle levende organismen worden geconstrueerd; hoewel het dupliceren van zelfs de eenvoudigere ontwerpen van de natuur grote vindingrijkheid vereist.

Het basisidee van DNA-origami is om een ​​stuk enkelstrengs DNA te gebruiken als steiger voor de gewenste vorm. Basenparing van complementaire nucleotiden zorgt ervoor dat de vorm vouwt en zichzelf assembleert. Het proces wordt geleid door de toevoeging van kortere "stapelstrengen, " die helpen de steiger te vouwen en de resulterende structuur bij elkaar te houden. Verschillende beeldtechnologieën worden gebruikt om de kleine structuren te observeren, inclusief fluorescentie-, elektronen- en atoomkrachtmicroscopie.

Hoewel DNA-origami oorspronkelijk nano-architecturen van puur esthetisch belang produceerde, verfijningen van de techniek hebben de deur geopend naar een reeks opwindende toepassingen, waaronder moleculaire kooien voor het inkapselen van moleculen, enzym immobilisatie en katalyse, chemische en biologische meetinstrumenten, mechanismen voor medicijnafgifte, en moleculaire computerapparatuur.

De techniek die in de nieuwe studie wordt beschreven, gaat nog een stap verder, waardoor onderzoekers lokale symmetriebeperkingen kunnen overwinnen, het creëren van wireframe-architecturen met een hogere orde willekeur en complexiteit. Hier, elk lijnsegment en hoekpunt is individueel ontworpen en gecontroleerd. Het aantal armen dat uit elk hoekpunt komt, kan worden gevarieerd van 2 tot 10 en de precieze hoeken tussen aangrenzende armen kunnen worden gewijzigd.

In de huidige studie, de methode werd voor het eerst toegepast op symmetrische, regelmatig herhalende veelhoekige ontwerpen, inclusief zeshoekig, vierkante en driehoekige tegelgeometrieën. Dergelijke veelvoorkomende ontwerpen staan ​​bekend als mozaïekpatronen.

Een slimme strategie met een reeks bruggen en lussen werd gebruikt om de steigerstreng op de juiste manier te leiden, waardoor het door de hele structuur kan gaan, door alle lijnen van het draadframe één keer en slechts één keer aan te raken. Stapelstrengen werden vervolgens aangebracht om de ontwerpen te voltooien.

In volgende stadia, de onderzoekers creëerden complexere wireframe-structuren, zonder de lokale translationele symmetrie in de mozaïekpatroonpatronen. Er zijn drie van dergelijke patronen gemaakt, inclusief een stervorm, een 5-voudige Penrose-tegel en een 8-voudig quasikristallijn patroon. (Quasicrystals zijn structuren die sterk geordend maar niet-periodiek zijn. Dergelijke patronen kunnen continu beschikbare ruimte vullen, maar zijn niet translationeel symmetrisch.) Lusstructuren ingevoegd in stapelstrengen en ongepaarde nucleotiden op de toppunten van de steigerstrengen werden ook gebruikt, waardoor onderzoekers precisieaanpassingen kunnen uitvoeren aan de hoeken van verbindingsarmen.

De nieuwe ontwerpregels werden vervolgens getest met de assemblage van steeds complexere nanostructuren, met hoekpunten variërend van 2 tot 10 armen, met veel verschillende hoeken en krommingen, waaronder een complex patroon van vogels en bloemen. De nauwkeurigheid van het ontwerp werd vervolgens bevestigd door AFM-beeldvorming, waaruit blijkt dat de methode met succes zeer geavanceerde draadframe-DNA-nanostructuren kan opleveren.

De methode werd vervolgens aangepast om ook een aantal 3D-structuren te produceren, inclusief een cuboctaëder, en een ander Archimedian-lichaam dat bekend staat als een stompe kubus - een structuur met 60 randen, 24 hoekpunten en 38 vlakken, inclusief 6 vierkanten en 32 gelijkzijdige driehoeken. De auteurs benadrukken dat de beschreven nieuwe ontwerpinnovaties kunnen worden gebruikt om elke denkbare draadframe-nanostructuur samen te stellen en te construeren - een belangrijke vooruitgang voor het snelgroeiende veld.

Op de horizon, structuren op nanoschaal kunnen ooit worden ingezet om kankercellen in het lichaam te jagen of als robotassemblagelijnen voor het ontwerpen van nieuwe medicijnen.