DNA, aanwezig in bijna elke cel, wordt steeds vaker gebruikt als bouwmateriaal om kleine, maar geavanceerde structuren zoals autonome 'DNA-walkers' die langs een microdeeltjesoppervlak kunnen bewegen, fluorescerende labels voor diagnostische toepassingen, 'DNA-boxen' die dienen als slimme voertuigen voor het afleveren van medicijnen die zijn geprogrammeerd om te openen op ziekteplaatsen om hun therapeutische inhoud vrij te geven, of programmeerbare fabrieken voor nanodeeltjes van bepaalde afmetingen en vormen voor nieuwe optische en elektronische toepassingen.

Om aan deze functies tegemoet te komen, onderzoekers van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard en over de hele wereld hebben manieren ontwikkeld waarmee DNA-strengen zichzelf kunnen assembleren tot steeds complexere 3D-structuren zoals scaffolded DNA-origami's. DNA-origami's, echter, zijn beperkt in hun afmetingen omdat ze afhankelijk zijn van de beschikbaarheid van steigerstrengen die moeilijk te vervaardigen en te manipuleren kunnen zijn. In 2012, Peng Yin en zijn team van het Wyss Institute presenteerden een alternatieve methode in Natuur (2D) en Wetenschap (3D) dat is gebaseerd op DNA 'stenen', die geen steiger gebruiken, maar eerder in staat zijn om als in elkaar grijpende Legoblokjes te verbinden en daardoor zichzelf in elkaar zetten tot origami-achtige structuren met voorgeschreven vormen.

Zoals gemeld in Natuur , het team sprong twee keer zo groot in hun technologie, waardoor de volgende generatie DNA-stenen zichzelf kunnen assembleren tot driedimensionale nanostructuren die 100 keer complexer zijn dan die gemaakt met bestaande methoden. DNA-origami en DNA-stenen van de eerste generatie assembleren zichzelf uit honderden unieke componenten om nanostructuren te produceren op de MegaDalton-schaal, overwegende dat met de nieuwe aanpak van DNA-stenen 10, 000 componenten om zelf te assembleren tot structuren ter grootte van GigaDalton (1 GigaDalton is gelijk aan 1000 MegaDalton of 1 miljard Dalton). De studie biedt gebruiksvriendelijke computerhulpmiddelen voor het ontwerpen van DNA-nanostructuren met complexe holtes (en mogelijk oppervlakken) die het potentieel hebben om te dienen als bouwcomponenten in tal van nanotechnologische toepassingen in de geneeskunde en engineering.

"Het principe en de veelbelovende mogelijkheden van onze eerste generatie DNA-stenen brachten ons ertoe om ons af te vragen of we het systeem kunnen verbeteren om aanzienlijk complexere nanostructuren te verkrijgen met veel hogere opbrengsten in assemblagereacties in één pot. Hier zijn we erin geslaagd om dit allemaal te doen. We werkten een gemakkelijk toegankelijk praktisch platform uit waarmee onderzoekers met heel verschillende interesses en toepassingen een moleculair canvas kunnen maken met 10, 000 stenen en gebruik het om nanostructuren te bouwen met ongekende complexiteit en potentieel, " zei corresponderende auteur Yin, doctoraat, die een lid van de kernfaculteit van het Wyss Institute is, co-leider van het Molecular Robotics Initiative van het Instituut, en hoogleraar systeembiologie aan de Harvard Medical School.

DNA-steentechnologie is gebaseerd op de stabiele en zeer programmeerbare aard van DNA. Een enkele DNA-steen is een korte streng synthetisch DNA die bestaat uit een vooraf gedefinieerde sequentie van de vier universele nucleotidebasen:adenine (A), cytosine (C), guanine (G), en thymine (T). De onderzoekers van het Wyss Institute creëren grote 3D-nanostructuren door verschillende stenen te mengen, elk met zijn eigen unieke sequentie van nucleotiden die is ontworpen om te passen en te binden aan een complementair domein van nucleotidebasen in een andere baksteen, zodat ze zichzelf kunnen assembleren. In de nieuwe versie van de technologie, door de lengte van individuele bindingsdomeinen binnen de stenen te variëren, het team eindigde met een aanzienlijk grotere diversiteit aan mogelijke stenen die, in aanvulling op, binden veel sterker aan elkaar. De studie ontwikkelde ook gebruiksvriendelijke computersoftware, zodat ontwerpers eenvoudig een vereiste 3D-vorm kunnen invoeren en automatisch een lijst met DNA-steensequenties kunnen ontvangen die kunnen worden gesynthetiseerd en gebruikt om de gewenste structuur te vormen.

"We hebben de mogelijkheden van onze technologie gedemonstreerd door enorme kubussen te bouwen met maximaal 30, 000 stenen en toonde een paar voorbeeldige vormen die kunnen worden gebouwd uit subsets van die stenen. Het is opmerkelijk dat de stenen tienduizenden potentiële partners konden onderscheiden om hun juiste buren te vinden, en het was opwindend om te zien dat de techniek van DNA-stenen kon worden gebruikt om vrij complexe holtes te vormen, zoals een teddybeer, het woord 'LOVE' of een Möbius-strip, onder vele anderen, " zei eerste auteur Luvena Ong, doctoraat, een voormalig Graduate Student in het laboratorium van Yin en nu een Research Investigator bij Bristol-Myers Squibb.

Het team van Yin werkte samen met onderzoekers van het Nationaal Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek (CNRS) en het Franse Nationale Instituut voor Gezondheid en Medisch Onderzoek (INSERM) in Montpellier, Frankrijk en het Max Planck Instituut voor Biochemie in München, Duitsland om een ​​verzameling ultramoderne microscopiemethoden in te zetten om de ontworpen holtes in 3D-balken te visualiseren. "Cavity-structuren die zijn samengesteld uit DNA-stenen zijn van groot belang omdat ze de mogelijkheid bieden om nanocontainers te ontwerpen waarin biomoleculen zoals eiwitten in zeer gedefinieerde opstellingen kunnen worden geplaatst om hun interacties te bestuderen en hun activiteiten te benutten, " zei co-corresponderende auteur Yonggang Ke, doctoraat, die samen met Yin het eerste DNA-steenplatform ontwikkelde als postdoctoraal onderzoeker aan het Wyss Institute, en is nu assistent-professor aan het Georgia Institute of Technology en Emory University. Ke, samen met zijn afgestudeerde student Pengfei Wang, speelde een belangrijke rol bij het bevorderen van de technologie naar de nieuwe versie. "Door functionele groepen toe te voegen aan DNA-stenen die assemblage en enzymatische processen kunnen uitvoeren, ze kunnen worden omgezet in krachtige hulpmiddelen voor commerciële en biomedische nanofabricageprocessen op een nieuwe schaal, " zei Ke. De onderzoekers geloven dat, in de toekomst, de methode kan ook worden gebruikt om grote nanostructuren te genereren met gebeeldhouwde en toepassingsspecifieke buitenoppervlakken.

"De manier waarop de veelzijdige DNA-steentechnologie evolueert, laat zien hoe het Molecular Robotics Initiative van het Wyss Institute diep in het veld van DNA-nanotechnologie kan reiken om nieuwe benaderingen mogelijk te maken die veel problemen in de echte wereld kunnen oplossen, " zei Donald Ingber, oprichter van het Wyss Institute, MD, doctoraat, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology is aan de HMS en het Vascular Biology Program aan het Boston Children's Hospital, evenals hoogleraar bio-engineering aan SEAS.