Veel zelfgeorganiseerde systemen in de natuur maken gebruik van een uitgekiende mix van deterministische en willekeurige processen. Geen twee bomen zijn precies hetzelfde omdat de groei willekeurig is, maar een Redwood kan gemakkelijk worden onderscheiden van een Jacaranda, aangezien de twee soorten verschillende genetische programma's volgen. De waarde van willekeur in biologische organismen wordt niet volledig begrepen, maar de hypothese is dat het kleinere genoomgroottes mogelijk maakt - omdat niet elk detail moet worden gecodeerd. Willekeurigheid biedt ook de variatie die ten grondslag ligt aan adaptieve evolutie.

In tegenstelling tot biologie, engineering maakt zelden gebruik van de kracht van willekeur voor het fabriceren van complexe structuren. Nutsvoorzieningen, een groep Caltech-wetenschappers heeft aangetoond dat willekeur in moleculaire zelfassemblage kan worden gecombineerd met deterministische regels om complexe nanostructuren uit DNA te produceren.

Het werk, gedaan in het laboratorium van universitair docent bio-engineering Lulu Qian, verschijnt in het nummer van 28 november van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Levende wezens gebruiken DNA om genetische informatie op te slaan, maar DNA kan ook worden gebruikt als een robuuste chemische bouwsteen voor moleculaire engineering. De vier complementaire moleculen waaruit DNA bestaat, nucleotiden genoemd, binden alleen op specifieke manieren:A's binden met T's, en G's binden met C's. In 2006, Paul Rothemund (BS '94), onderzoekshoogleraar bio-engineering, informatica en wiskundige wetenschappen, en reken- en neurale systemen bij Caltech, een techniek uitgevonden genaamd DNA-origami die voordeel haalt uit de matching tussen lange strengen DNA-nucleotiden, vouw ze in alles, van kunstwerken op nanoschaal tot apparaten voor het afleveren van medicijnen. De zelf-geassembleerde structuren gevormd door DNA-origami kunnen op zichzelf functioneel zijn of ze kunnen worden gebruikt als sjablonen om andere functionele moleculen te organiseren, zoals koolstofnanobuisjes, eiwitten, metalen nanodeeltjes, en organische kleurstoffen - met ongekende programmeerbaarheid en ruimtelijke precisie.

Met behulp van DNA-origami als bouwsteen, onderzoekers hebben grotere DNA-nanostructuren gemaakt, zoals periodieke reeksen origami-tegels. Echter, omdat de bouwsteen gewoon overal wordt herhaald, de complexiteit van patronen die op deze grotere structuren kunnen worden gevormd, is vrij beperkt. Volledig deterministische assemblageprocessen - die het ontwerp van elke afzonderlijke tegel en zijn duidelijke positie in de array beheersen - kunnen aanleiding geven tot complexe patronen, maar deze processen schalen niet goed op. Omgekeerd, als er alleen willekeurige processen bij betrokken zijn en de globale kenmerken van de array niet worden gecontroleerd door ontwerpregels, het is onmogelijk om complexe patronen met gewenste eigenschappen te creëren zonder tegelijkertijd een grote fractie ongewenste moleculen te genereren die verspild worden. Tot het werk van Qian en haar collega's, het combineren van deterministische processen met willekeurige was nog nooit systematisch onderzocht om complexe DNA-nanostructuren te creëren.

"We waren op zoek naar moleculaire zelfassemblageprincipes die zowel deterministische als willekeurige aspecten omvatten, " zegt Qian. "We hebben een eenvoudige set regels ontwikkeld waarmee DNA-tegels willekeurig kunnen binden, maar alleen in specifieke gecontroleerde patronen."

De aanpak omvat het ontwerpen van patronen op individuele tegels, moduleren van de verhoudingen van verschillende tegels, en bepalen welke tegels bij zelfmontage aan elkaar kunnen binden. Dit leidt tot grootschalige opkomende kenmerken met afstembare statistische eigenschappen - een fenomeen dat de auteurs 'programmeerbare stoornis' noemen.

"De structuren die we kunnen bouwen hebben programmeerbare willekeurige aspecten, " zegt Grigory Tikhomirov, een senior postdoctoraal wetenschapper in biologie en biologische engineering, en hoofdauteur op het papier. "Bijvoorbeeld, we kunnen structuren maken met lijnen die schijnbaar willekeurige paden volgen, maar we kunnen ervoor zorgen dat ze elkaar nooit kruisen en uiteindelijk altijd in lussen sluiten."

Naast lussen, het team koos twee andere voorbeelden, doolhoven en bomen, om aan te tonen dat veel niet-triviale eigenschappen van deze structuren kunnen worden gecontroleerd door eenvoudige lokale regels. Ze vonden deze voorbeelden interessant omdat loop, doolhof, en boomstructuren komen op grote schaal voor in de natuur op meerdere schalen. Bijvoorbeeld, longen zijn boomstructuren op millimeter tot centimeter schaal, en neurale dendrieten zijn boomstructuren op micrometer tot millimeterschaal. De gecontroleerde eigenschappen die ze lieten zien, omvatten de vertakkingsregels, de groeirichtingen, de nabijheid van aangrenzende netwerken, en de grootteverdeling.

De groep werd voor het eerst geïnspireerd door de klassieke Truchet-tegels, dat zijn vierkante tegels met twee diagonaal symmetrische bogen van DNA op het oppervlak. Er zijn twee rotatie-asymmetrische oriëntaties van het boogpatroon. Een willekeurige keuze van de twee tegeloriëntaties op elke locatie in de array toestaan, het patroon gaat verder door aangrenzende tegels, ofwel lussen van verschillende groottes worden of uit een rand van de array komen.

Om Truchet-arrays op moleculaire schaal te maken, het team gebruikte de DNA-origamitechniek om DNA in vierkante tegels te vouwen en ontwierp vervolgens de interacties tussen deze tegels om ze aan te moedigen zichzelf te assembleren tot grote tweedimensionale arrays.

"Omdat alle moleculen tijdens het proces van zelfassemblage tegen elkaar aanbotsen terwijl ze in een reageerbuis rondzweven, de interacties moeten zwak genoeg zijn om de tegels zichzelf te laten herschikken en te voorkomen dat ze vast komen te zitten in ongewenste configuraties, " zegt Philip Petersen, een afgestudeerde student in het Qian-laboratorium en co-eerste auteur op het papier. "Anderzijds, de interacties moeten specifiek genoeg zijn, zodat de gewenste interacties altijd de voorkeur hebben boven ongewenste, valse interacties."

Verschillende soorten globale patronen ontstaan ​​wanneer tegels worden gemarkeerd met verschillende lokale patronen. Bijvoorbeeld, als elke willekeurig georiënteerde tegel een "T" heeft in plaats van twee bogen, het globale patroon is een doolhof met takken en lussen in plaats van alleen lussen. Als de regels voor zelfmontage de mogelijke relatieve oriëntatie van aangrenzende "T"-tegels beperken, is het mogelijk om ervoor te zorgen dat behalve een enkele "root, " de takken in de doolhoven sluiten nooit in lussen - bomen produceren. Om de volledige algemeenheid van deze principes te onderzoeken, Qian's team ontwikkelde een programmeertaal voor willekeurige DNA-origami-tegels.

"Met deze programmeertaal, het ontwerpproces begint met een beschrijving op hoog niveau van de tegels en arrays, die automatisch kan worden vertaald naar abstracte array-diagrammen en numerieke simulaties, gaat vervolgens over op DNA-origami-tegelontwerp, inclusief hoe de tegels op hun randen met elkaar omgaan. Eindelijk, we ontwerpen DNA-sequenties, " zegt Qian. "Met deze DNA-sequenties, het is eenvoudig voor onderzoekers om de DNA-strengen te ordenen, meng ze in een reageerbuis, wacht tot de moleculen 's nachts zichzelf assembleren tot de ontworpen structuren, en het verkrijgen van beelden van de structuren met behulp van een atoomkrachtmicroscoop."

De methode van programmeerbare wanorde van de groep heeft diverse toekomstige toepassingen. Bijvoorbeeld, het kan worden gebruikt om complexe testomgevingen te bouwen voor steeds geavanceerdere moleculaire robots - op DNA gebaseerde machines op nanoschaal die op een oppervlak kunnen bewegen, eiwitten of andere soorten moleculen op te halen of af te geven als lading, en beslissingen te nemen over navigatie en acties.

"De mogelijke toepassingen zijn veel breder, " voegt Qian toe. Sinds de jaren negentig, willekeurige eendimensionale ketens van polymeren zijn gebruikt om een ​​revolutie teweeg te brengen in de chemische en materiële synthese, medicijnafgifte, en nucleïnezuurchemie door enorme combinatorische bibliotheken van kandidaatmoleculen te creëren en vervolgens de beste in het laboratorium te selecteren of te ontwikkelen. "Ons werk breidt hetzelfde principe uit naar tweedimensionale netwerken van moleculen en creëert nu nieuwe mogelijkheden voor het fabriceren van complexere moleculaire apparaten die zijn georganiseerd door DNA-nanostructuren, " ze zegt.

Het artikel is getiteld 'Programmeerbare stoornis in willekeurige DNA-tegels'.