In een microscopische prestatie die leek op een circusact met hoge draden, Johns Hopkins-onderzoekers hebben DNA-nanobuisjes overgehaald om zichzelf te assembleren tot brugachtige structuren die zijn gewelfd tussen twee moleculaire oriëntatiepunten op het oppervlak van een laboratoriumschaal.

Het team legde voorbeelden van deze ongewone prestaties op nanoschaal vast op video.

Dit zelfassemblerende brugproces, die ooit kunnen worden gebruikt om elektronische medische apparaten te verbinden met levende cellen, werd onlangs door het team gerapporteerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Om dit proces te beschrijven, senior auteur Rebecca Schulman, een assistent-professor chemische en biomoleculaire engineering aan de Whiting School of Engineering van de universiteit, verwees naar een dodelijke stunt uit de film 'Man on Wire'. De film beeldde Philippe Petit's 1974 hoge-draad wandeling tussen de Twin Towers van het World Trade Center af.

Schulman wees erop dat de echte oversteek niet had kunnen worden bereikt zonder een kritisch stuk ouderwetse techniek:Petit's verborgen partner gebruikte een pijl en boog om de draad over de kloof tussen de torens te lanceren, waardoor het aan elke structuur kan worden bevestigd.

"Zo'n prestatie was moeilijk te doen op menselijke schaal, "Zei Schulman. "Kunnen we moleculen vragen hetzelfde te doen? Kunnen we moleculen een 'brug' laten bouwen tussen andere moleculen of oriëntatiepunten op bestaande structuren?"

De hoofdauteur van de krant, Abdoel Mohammed, een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Schulman, gebruikten een andere analogie om de moleculaire bruggenbouwprestatie te beschrijven die ze op nanoschaalniveau demonstreerden. "Als dit proces op menselijke schaal zou plaatsvinden, "Mohammed zei, "Het zou zijn alsof iemand een vislijn uitgooit vanaf de ene kant van een voetbalveld en probeert een persoon aan de andere kant te haken."

Om deze taak te volbrengen, de onderzoekers wendden zich tot DNA-nanobuisjes. Deze microscopisch kleine bouwstenen, gevormd door korte sequenties van synthetisch DNA, zijn populaire materialen geworden op het gebied van opkomende nanotechnologie. De sequenties zijn bijzonder nuttig vanwege hun vermogen om zichzelf samen te voegen tot lange, buisachtige structuren die bekend staan ​​als DNA-nanobuisjes.

In de Johns Hopkins-studie, deze bouwstenen hechtten zich aan afzonderlijke moleculaire ankerposten, vertegenwoordigen waar de verbindende brug zou beginnen en eindigen. De segmenten vormden twee nanobuisketens, elk strekt zich uit van zijn ankerpaal. Vervolgens, als spaghetti in een pan met kokend water, de steeds langer wordende kettingen van nanobuisjes kronkelden in het rond, op een willekeurige manier hun omgeving verkennen. Eventueel, door deze beweging konden de uiteinden van de twee afzonderlijke nanobuisstrengen contact met elkaar maken en in elkaar klikken om een ​​enkele verbindende brugoverspanning te vormen.

Om meer te weten te komen over hoe dit proces verloopt, de onderzoekers gebruikten microscopen om te zien hoe de nanobuisjes zich verbinden met hun moleculaire oriëntatiepunten, die waren gelabeld met verschillende gekleurde fluorescerende kleurstoffen en bevestigd aan transparant glas. De videoapparatuur van het team legde ook de vorming van nanobuisjes vast, terwijl de twee brugsegmenten langer werden en uiteindelijk verbonden. De voltooiing van de brug op nanoschaal in het begeleidende voorbeeld duurde ongeveer zes uur, maar de video's van het team werden aanzienlijk versneld om een ​​snellere beoordeling mogelijk te maken. Afhankelijk van hoe ver de moleculaire ankerposten van elkaar verwijderd waren, het verbindingsproces duurde van enkele uren tot twee dagen.

De mogelijkheid om deze bruggen te monteren, zeggen de onderzoekers, suggereert een nieuwe manier om medische apparaten te bouwen die draden gebruiken, kanalen of andere apparaten die kunnen "inpluggen" op moleculen op het celoppervlak. Dergelijke technologieën kunnen worden gebruikt om zenuwcelcommunicatie te begrijpen of om therapieën met ongekende precisie te leveren. Moleculaire bruggenbouw, zeiden de onderzoekers, is ook een stap in de richting van het bouwen van genetwerkte apparaten en "steden" op nanoschaal, waardoor nieuwe onderdelen van een machine of fabriek met elkaar kunnen communiceren.