DNA is een van de meest verbazingwekkende moleculen in de natuur, een manier bieden om de instructies te dragen die nodig zijn om bijna elke levensvorm op aarde te creëren in een microscopisch pakket. Nu vinden wetenschappers manieren om DNA nog verder te pushen, het niet alleen gebruiken om informatie op te slaan, maar om fysieke componenten te maken in een reeks biologische machines.

Deoxyribonucleïnezuur of "DNA" draagt ​​de genetische informatie die wij, en alle levende organismen, gebruiken om te functioneren. Het komt meestal in de vorm van de beroemde dubbele helixvorm, bestaande uit twee enkelstrengs DNA-moleculen die in een spiraal zijn gevouwen. Elk van deze bestaat uit een reeks van vier verschillende soorten moleculaire componenten:adenine (A), guanine (G), thymine (T), en cytosine (C).

Genen zijn opgebouwd uit verschillende sequenties van deze bouwsteencomponenten, en de volgorde waarin ze in een DNA-streng voorkomen, codeert voor genetische informatie. Maar door precies verschillende A te ontwerpen, G, T- en C-reeksen, wetenschappers hebben onlangs nieuwe manieren kunnen ontwikkelen om DNA in verschillende origami-vormen te vouwen, voorbij de conventionele dubbele helix.

Deze benadering heeft nieuwe mogelijkheden geopend om DNA te gebruiken buiten zijn genetische en biologische doel, het veranderen in een Lego-achtig materiaal voor het bouwen van objecten met een diameter van slechts een paar miljardsten van een meter (nanoschaal). Op DNA gebaseerde materialen worden nu voor verschillende toepassingen gebruikt, variërend van sjablonen voor elektronische nano-apparaten, naar manieren om medicijnen precies naar zieke cellen te transporteren.

Op DNA gebaseerde nanothermometers

Het ontwerpen van elektronische apparaten die slechts nanometer groot zijn, opent allerlei mogelijke toepassingen, maar maakt het moeilijker om defecten op te sporen. Als een manier om hiermee om te gaan, onderzoekers van de Universiteit van Montreal hebben DNA gebruikt om ultragevoelige thermometers op nanoschaal te maken die zouden kunnen helpen bij het vinden van minuscule hotspots in nano-apparaten (wat zou wijzen op een defect). Ze kunnen ook worden gebruikt om de temperatuur in levende cellen te controleren.

De nanothermometers zijn gemaakt met behulp van DNA-lussen die fungeren als schakelaars, vouwen of ontvouwen als reactie op temperatuurveranderingen. Deze beweging kan worden gedetecteerd door optische sondes aan het DNA te bevestigen. De onderzoekers willen deze nanothermometers nu inbouwen in grotere DNA-apparaten die in het menselijk lichaam kunnen werken.

Biologische nanorobots

Onderzoekers van de Harvard Medical School hebben DNA gebruikt om een ​​robot van nanoformaat te ontwerpen en te bouwen die fungeert als een medicijn voor het afleveren van specifieke cellen. De nanorobot komt in de vorm van een open vat gemaakt van DNA, waarvan de twee helften zijn verbonden door een scharnier dat wordt vastgehouden door speciale DNA-handgrepen. Deze handvatten kunnen combinaties van specifieke eiwitten herkennen die aanwezig zijn op het oppervlak van cellen, inclusief degenen die verband houden met ziekten.

Wanneer de robot in contact komt met de juiste cellen, het opent de container en levert zijn lading af. Wanneer toegepast op een mengsel van gezonde en kankerachtige menselijke bloedcellen, deze robots toonden het vermogen om de helft van de kankercellen te targeten en te doden, terwijl de gezonde cellen ongedeerd bleven.

Biocomputers in levende dieren

Omdat DNA-structuren als schakelaars kunnen fungeren, bewegen van de ene positie naar de andere en weer terug, ze kunnen worden gebruikt om de logische bewerkingen uit te voeren die computerberekeningen mogelijk maken. Onderzoekers van Harvard en Bar-Ilan University in Israël hebben dit principe gebruikt om verschillende robots op nanoschaal te bouwen die met elkaar kunnen interageren, gebruiken hun DNA-schakelaars om op verschillende signalen te reageren en deze te produceren.

Bovendien, de wetenschappers implanteerden de robots in een levend dier, in dit geval een kakkerlak. Hierdoor konden ze een nieuw type biologische computer ontwikkelen die de afgifte van therapeutische moleculen in de kakkerlak kan regelen door elementen van hun structuur "aan" of "uit" te schakelen. Een proef met deze DNA-nanorobots staat nu gepland bij mensen.

Antennes voor lichtoogst

Naast het maken van minuscule machines, DNA kan ons een manier bieden om natuurlijke processen op nanoschaal te kopiëren. Bijvoorbeeld, de natuur kan energie van de zon opvangen met behulp van fotosynthese om licht om te zetten in chemische energie, die fungeert als brandstof voor planten en andere organismen (en de dieren die ze eten). Onderzoekers van de Arizona State University en de University of British Columbia hebben nu een driearmige DNA-structuur gebouwd die licht kan opvangen en overbrengen dat dit proces nabootst.

Fotosynthese vindt plaats in levende organismen dankzij kleine antennes die zijn samengesteld uit een groot aantal pigmentmoleculen op specifieke oriëntaties en afstanden van elkaar, die zichtbaar licht kunnen absorberen. De kunstmatige DNA-gebaseerde structuren fungeren als vergelijkbare antennes, het regelen van de positie van specifieke kleurstofmoleculen die de lichtenergie absorberen en naar een reactiecentrum leiden waar het wordt omgezet in chemische energie. Dit werk zou de weg kunnen banen voor apparaten die in staat zijn om efficiënter gebruik te maken van de meest overvloedige energiebron die we tot onze beschikking hebben:zonlicht.

Dus wat biedt de toekomst voor DNA-nanotechnologie? Het is moeilijk te weten, maar met DNA, de natuur heeft ons een zeer veelzijdig hulpmiddel gegeven. Het is nu aan ons om er optimaal gebruik van te maken.

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan The Conversation (onder Creative Commons-Attribution/No derivaten).