Onderzoekers kunnen complexe, nanometerschaal structuren van bijna elke vorm en vorm, met behulp van DNA-strengen. Maar deze deeltjes moeten met de hand worden ontworpen, in een complex en moeizaam proces.

Dit heeft de techniek beperkt, bekend als DNA-origami, tot slechts een kleine groep experts in het veld.

Nu heeft een team van onderzoekers van MIT en elders een algoritme ontwikkeld dat deze DNA-nanodeeltjes automatisch kan bouwen.

Zo kan het algoritme die samen met een nieuwe synthesebenadering wordt gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschap deze week, zou de techniek kunnen worden gebruikt om nanodeeltjes te ontwikkelen voor een veel breder scala aan toepassingen, inclusief steigers voor vaccins, dragers voor hulpmiddelen voor het bewerken van genen, en in archiefgeheugen.

In tegenstelling tot traditionele DNA-origami, waarbij de constructie handmatig met de hand wordt opgebouwd, het algoritme begint met een eenvoudige, 3-D geometrische weergave van de uiteindelijke vorm van het object, en dan beslist hoe het uit DNA moet worden samengesteld, volgens Mark Bathe, een universitair hoofddocent biologische technologie aan het MIT, die het onderzoek leidde.

"De paper draait het probleem om van een probleem waarin een expert het DNA ontwerpt dat nodig is om het object te synthetiseren, naar een waarin het object zelf het startpunt is, met de benodigde DNA-sequenties die automatisch worden gedefinieerd door het algoritme, " zegt Bathe. "Onze hoop is dat deze automatisering de deelname van anderen aan het gebruik van dit krachtige moleculaire ontwerpparadigma aanzienlijk verbreedt."

Het algoritme stelt het object eerst voor als een perfect glad, ononderbroken omtrek van het oppervlak. Vervolgens wordt het oppervlak opgedeeld in een reeks veelhoekige vormen.

Volgende, het leidt een lange, enkele streng DNA, het schavot genoemd, die als een draadje werkt, door de hele structuur om het bij elkaar te houden.

Het algoritme weeft de steiger in één snelle en efficiënte stap, die kan worden gebruikt voor elke vorm van een 3D-object, zegt Bathe.

"Die [stap] is een krachtig onderdeel van het algoritme, omdat het geen handmatige of menselijke interface vereist, en het werkt gegarandeerd zeer efficiënt voor elk 3D-object, " hij zegt.

Het algoritme, die bekend staat als DAEDALUS (DNA Origami Sequence Design Algorithm for User-defined Structures) naar de Griekse ambachtsman en kunstenaar die labyrinten ontwierp die lijken op de complexe steigerstructuren van origami, kan elk type 3D-vorm bouwen, mits het een gesloten oppervlak heeft. Dit kunnen vormen zijn met een of meer gaten, zoals een torus.

In tegenstelling tot, een eerder algoritme, vorig jaar gepubliceerd in het tijdschrift Natuur , is alleen in staat om de oppervlakken van bolvormige objecten te ontwerpen en te bouwen, en zelfs dan is nog handmatig ingrijpen vereist.

De strategie van het team bij het ontwerpen en synthetiseren van de DNA-nanodeeltjes werd ook gevalideerd met behulp van 3D-cryo-elektronenmicroscopie-reconstructies door Bathe's medewerker, Wah Chiu aan het Baylor College of Medicine.

De onderzoekers onderzoeken nu een aantal toepassingen voor de DNA-nanodeeltjes die door het DAEDALUS-algoritme zijn gebouwd. Een dergelijke toepassing is een scaffold voor virale peptiden en eiwitten voor gebruik als vaccins.

Het oppervlak van de nanodeeltjes kan worden ontworpen met elke combinatie van peptiden en eiwitten, zich op elke gewenste plaats op de constructie bevinden, om de manier na te bootsen waarop een virus aan het immuunsysteem van het lichaam verschijnt.

De onderzoekers toonden aan dat de DNA-nanodeeltjes meer dan zes uur stabiel zijn in serum, en proberen nu hun stabiliteit verder te vergroten.

De nanodeeltjes kunnen ook worden gebruikt om de CRISPR-Cas9-tool voor het bewerken van genen in te kapselen. De CRISPR-Cas9-tool heeft een enorm potentieel in therapieën, dankzij de mogelijkheid om gerichte genen te bewerken. Echter, er is een grote behoefte aan het ontwikkelen van technieken om de tool te verpakken en af ​​te leveren aan specifieke cellen in het lichaam, zegt Bathe.

Dit gebeurt momenteel met behulp van virussen, maar deze zijn beperkt in de grootte van het pakket dat ze kunnen dragen, het gebruik ervan beperken. De DNA-nanodeeltjes, in tegenstelling tot, zijn in staat om veel grotere genenpakketten te dragen en kunnen gemakkelijk worden uitgerust met moleculen die helpen de juiste cellen of weefsels aan te vallen.

Het team onderzoekt ook het gebruik van de nanodeeltjes als DNA-geheugenblokken. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat informatie kan worden opgeslagen in DNA, op een vergelijkbare manier als de nullen en enen die worden gebruikt om gegevens digitaal op te slaan. De op te slaan informatie wordt "geschreven" met behulp van DNA-synthese en kan vervolgens worden teruggelezen met behulp van DNA-sequencing-technologie.

Door de DNA-nanodeeltjes te gebruiken, zou deze informatie op een gestructureerde en beschermde manier kunnen worden opgeslagen, met elk deeltje verwant aan een pagina of hoofdstuk van een boek. Het oproepen van een bepaald hoofdstuk of boek zou dan net zo eenvoudig zijn als het lezen van de identiteit van dat nanodeeltje, een beetje zoals het gebruik van bibliotheekindexkaarten, zegt Bathe.

Het meest opwindende aspect van het werk, echter, is dat het de deelname aan de toepassing van deze technologie aanzienlijk moet verbreden, Baden zegt, net zoals 3D-printen heeft gedaan voor complexe 3-D geometrische modellen op macroscopische schaal.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.