De basenparen die in DNA worden gevonden, zijn de sleutel tot het vermogen om eiwitcoderende informatie op te slaan, maar ze geven het molecuul ook nuttige structurele eigenschappen. Twee complementaire DNA-strengen laten samensmelten tot een dubbele helix kan dienen als basis voor ingewikkelde fysieke mechanismen die apparaten op moleculaire schaal kunnen duwen en trekken.

Ingenieurs van de Universiteit van Pennsylvania hebben "spieren" op nanoschaal ontwikkeld die volgens dit principe werken. Door zorgvuldig op maat gemaakte DNA-strengen op te nemen in verschillende lagen flexibele films, ze kunnen die films dwingen te buigen, krullen en zelfs omdraaien door de juiste DNA-cue te introduceren. Ze kunnen deze veranderingen ook ongedaan maken door middel van verschillende DNA-aanwijzingen.

Op een dag, het buigen van deze spieren zou kunnen worden gebruikt in diagnostische apparaten, in staat om veranderingen in genexpressie vanuit cellen te signaleren.

De onderzoekers demonstreerden dit systeem in een studie gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

De studie werd geleid door John C. Crocker en Daeyeon Lee, hoogleraren chemische en biomoleculaire engineering aan Penn's School of Engineering and Applied Science, samen met Tae Soup Shim, die toen een postdoctoraal medewerker was in beide onderzoeksgroepen. David Chenoweth, een assistent-professor scheikunde aan Penn's School of Arts &Sciences, en So-Jung-park, een professor in de afdeling Scheikunde en Nanowetenschappen aan de Ewha Womans University, Seoel, heeft ook meegewerkt aan het onderzoek. Andere Penn co-auteurs zijn Zaki G. Estephan, Zhaoxia Qian, Jacob H. Prosser en Su Yeon Lee, afgestudeerde studenten en postdoctorale onderzoekers in de afdelingen Chemische en Biomoleculaire Engineering, Materiaalwetenschap en -techniek en scheikunde.

De spieren op nanoschaal in het onderzoek bestaan ​​uit gouden nanodeeltjes, die door enkelstrengs DNA met elkaar verbonden zijn. De onderzoekers bouwden de films laag voor laag op, het introduceren van verschillende sets van DNA-gekoppelde nanodeeltjes op verschillende diepten. Elke set nanodeeltjes bevatte koppelingen met verschillende sequenties.

"De manier waarop de bediening werkt, ’ zei Crocker, "is dat we enkelstrengs DNA toevoegen dat complementair is aan een deel van de bruggen tussen de deeltjes. Wanneer dat DNA naar binnen diffundeert, het verandert alleen die bruggen in dubbelstrengs DNA-helices."

Omdat de specifieke sequentie van het toegevoegde DNA is afgestemd op verschillende sets nanodeeltjesbruggen, de onderzoekers konden zich richten op individuele lagen van de film, het vormen van dubbelstrengs bruggen in precies die lagen.

Dit mechanisme was van cruciaal belang om de films te laten buigen, omdat enkelstrengs en dubbelstrengs bruggen verschillende lengtes hebben.

"Het is zo dat dubbelstrengs DNA's langer zijn dan enkelstrengs DNA's met hetzelfde aantal basen, ’ zei Crocker, "dus wanneer de toegevoegde streng bindt, de brug wordt iets langer en het materiaal zet uit. Als slechts één laag van de film uitzet, de film krult."

De onderzoekers ontwierpen ook een manier om de bruggen terug te brengen naar hun oorspronkelijke, enkelstrengs staat, deze krul ongedaan maken. De strengen die de curling-cue geven, hebben ook een "handvat" dat niet aan de bruggen bindt. Door aan deze hendel te trekken, splitst de dubbele helix de toegevoegde DNA-vormen.

"We maken de streng die we hebben toegevoegd om de bruggen uit te breiden iets langer dan nodig is, ' zei Crocker. 'Nadat het een dubbele helix vormt met de brug, er zijn nog 7 basen van overgebleven enkelstrengs DNA bungelend aan de zijkant van de brug. Om het proces om te keren, we voegen een 'stripper'-streng toe die complementair is aan de 'expander'-streng en het extra bungelende 'handvat'. Het hybridiseert eigenlijk met het bungelende handvat, en trekt dan de expanderstreng van de brug, een dubbele helix vormen in oplossing die wegdrijft, waardoor de brug terug kan keren naar zijn kortere, enkelstrengige vorm."

De films laten krullen of helemaal omdraaien is voorlopig slechts een proof-of-concept, maar dit spierachtige buiggedrag zou een groot aantal toepassingen op nanoschaal kunnen hebben.

In staat zijn om op de ene cue te reageren en de andere volledig te negeren - onmogelijk voor systemen die buigen op basis van temperatuur- of zuurgraadveranderingen - is van cruciaal belang voor hun vermogen om als diagnostische apparaten te werken.

"Een 'verre' toepassing waar we aan hebben gedacht, is in intracellulaire situaties waar we dingen niet precies kunnen regelen met draden of draadloze apparatuur, zei Crocker. "We zouden een apparaat kunnen maken dat een bepaalde golflengte van licht absorbeert of reflecteert op basis van de afstand tussen de interne lagen, en we kunnen die afstand dan veranderen met een chemisch signaal. Dit signaal kan een boodschapper-RNA zijn, dus het apparaat biedt een eencellige genexpressie-uitlezing. Deze intracellulaire apparaten kunnen onder een microscoop worden uitgelezen, of in het lichaam met behulp van infraroodbeeldvorming."