Een nieuwe manier om 3D-nanostructuren te maken van DNA wordt beschreven in een studie gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Natuur . De studie werd geleid door onderzoekers van het Karolinska Institutet die samenwerkten met een groep aan de Finse Aalto University. De nieuwe techniek maakt het mogelijk om 3D-DNA-origamistructuren te synthetiseren die ook de lage zoutconcentraties in het lichaam kunnen verdragen, wat de weg vrijmaakt voor volledig nieuwe biologische toepassingen van DNA-nanotechnologie. Het ontwerpproces is ook sterk geautomatiseerd, die de creatie van synthetische DNA-nanostructuren van opmerkelijke complexiteit mogelijk maakt.

Het team achter de studie vergelijkt de nieuwe benadering met een 3D-printer voor structuren op nanoschaal. De gebruiker tekent de gewenste structuur, in de vorm van een veelhoekobject, in 3D-software die normaal gesproken wordt gebruikt voor computerondersteund ontwerp of animatie. Grafiektheoretische algoritmen en optimalisatietechnieken worden vervolgens gebruikt om de DNA-sequenties te berekenen die nodig zijn om de structuur te produceren.

Wanneer de gesynthetiseerde DNA-sequenties worden gecombineerd in een zoutoplossing, ze assembleren zichzelf in de juiste structuur. Een van de grote voordelen van het bouwen van nanostructuren uit DNA is dat de basen op een voorspelbare manier aan elkaar binden door base-paring.

"Deze nieuwe methode maakt het heel eenvoudig om DNA-nanostructuren te ontwerpen en geeft meer ontwerpvrijheid, ", zegt onderzoeksleider Björn Högberg van de afdeling Medische Biochemie en Biofysica van het Karolinska Institutet. "We kunnen nu structuren maken die voorheen onmogelijk te ontwerpen waren en we kunnen het op dezelfde manier doen als een 3D-structuur om uit te printen in macroscopische schaal, maar in plaats van het van plastic te maken, we printen het in DNA op nanoschaal."

Met behulp van deze techniek, het team heeft een bal gebouwd, spiraal, staaf en flesvormige structuur, en een DNA-afdruk van de zogenaamde Stanford Bunny, wat een algemeen testmodel is voor 3D-modellering. Behalve dat het eenvoudiger is in vergelijking met eerdere manieren om DNA-origami te maken, de methode vereist – belangrijker nog – geen hoge concentraties magnesiumzout.

"Voor biologische toepassingen, het meest cruciale verschil is dat we nu structuren kunnen maken die kunnen worden ingeklapt, en leefbaar blijven in fysiologische zoutconcentraties die meer geschikt zijn voor biologische toepassingen van DNA-nanostructuren, " legt dr. Högberg uit.

"Een voordeel van het geautomatiseerde ontwerpproces is dat men nu systematisch kan omgaan met zelfs vrij complexe structuren. Geavanceerde computermethoden zullen waarschijnlijk een belangrijke factor zijn bij het opschalen van DNA-nanotechnologie van fundamentele studies naar baanbrekende toepassingen, " zegt professor Pekka Orponen, die het team leidde van de afdeling Computerwetenschappen van de Aalto University.

De mogelijke toepassingen zijn talrijk. Het team van Karolinska Institutet heeft eerder een DNA-nanometer gemaakt die wordt gebruikt voor het bestuderen van celsignalering. De nieuwe techniek maakt het mogelijk om soortgelijke biologische experimenten uit te voeren op een manier die nog meer lijkt op de omstandigheden in cellen. DNA-nanostructuren zijn ook gebruikt om gerichte capsules te maken die kankermedicijnen rechtstreeks aan tumorcellen kunnen leveren, waardoor de benodigde hoeveelheid medicijnen kan worden verminderd.