De afgelopen decennia is wetenschappers zijn geïnspireerd door de blauwdruk van het leven, DNA, als de vorm van dingen die komen gaan voor nanotechnologie.

Dit ontluikende veld wordt DNA-origami genoemd. Wetenschapper leende zijn bijnaam van de papierkunstenaars die vogels toveren, bloemen en vliegtuigen van het fantasierijk vouwen van een enkel vel papier.

evenzo, DNA-origami-wetenschappers bedenken verschillende vormen - op een schaal die duizend keer kleiner is dan een mensenhaar - waarvan ze hopen dat ze op een dag een revolutie teweeg zullen brengen in computergebruik, elektronica en medicijnen.

Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers uit de staat Arizona en Harvard heeft een belangrijke nieuwe vooruitgang in DNA-nanotechnologie uitgevonden. Genaamd "enkelstrengs origami, " hun nieuwe strategie gebruikt een lange, dunne noedelachtige DNA-streng, of zijn chemische neef RNA, die zichzelf kan vouwen —— zelfs zonder een enkele knoop — tot de grootste, meest complexe structuren tot nu toe.

En, de strengen die deze structuren vormen, kunnen in levende cellen worden gemaakt of met behulp van enzymen in een reageerbuis, waardoor wetenschappers het potentieel hebben om plug-and-play te gebruiken met nieuwe ontwerpen en functies voor nanogeneeskunde, zoals kleine, nanobots die dokter spelen en medicijnen in cellen afleveren op de plaats van de verwonding.

"Ik denk dat dit een opwindende doorbraak is, en ook een geweldige kans voor synthetische biologie, " zei Hao Yan, mede-uitvinder van de technologie, directeur van het ASU Biodesign Institute's Centre for Molecular Design and Biomimetics, en de Milton Glick Professor in de School of Molecular Sciences.

"We zijn altijd geïnspireerd door de ontwerpen van de natuur om informatiedragende moleculen te maken die zichzelf kunnen vouwen tot de vormen op nanoschaal die we willen maken, "

Als proof-of-concept, ze hebben de envelop geduwd om Emoji-achtige smileygezichten te maken, harten, driehoeksvormen - 18 vormen in totaal - die de ruimte van de ontwerpstudio en de materiële schaalbaarheid aanzienlijk vergroten voor zogenaamde, "bottom-up" nanotechnologie.

Grootte doet er toe

Daten, Wetenschappers op het gebied van DNA-nanotechnologie moesten vertrouwen op twee hoofdmethoden voor het maken van ruimtelijk adresseerbare structuren met eindige afmetingen.

De eerste was moleculaire stenen, klein, korte stukjes DNA die samen kunnen vouwen tot een enkele structuur. De tweede methode was scaffolded DNA, waarbij een enkele streng wordt gevormd tot een structuur met behulp van helperstrengen van DNA, die de structuur op zijn plaats nieten.

"Deze twee methoden zijn niet erg schaalbaar in termen van synthese, " zei Fei Zhang, een senior co-auteur op het papier. "Als je zoveel korte stukjes DNA hebt, je kunt het niet repliceren met biologische systemen. Een manier om dit te omzeilen is om één lange streng te ontwerpen die zichzelf in elk ontwerp of elke architectuur kan vouwen."

Verder, elke methode is beperkt, omdat naarmate de constructie groter wordt, het vermogen om correct te vouwen wordt uitdagender.

Nutsvoorzieningen, er is een nieuwe derde weg.

Voor Yan en zijn team om door te breken, ze moesten terug naar de tekentafel, wat betekende dat ik opnieuw naar de natuur moest kijken voor inspiratie. Ze vonden wat ze zochten met een chemisch neefje van DNA, in de vorm van complexe, RNA-structuren.

De tot nu toe ontdekte complexe RNA-structuren bevatten enkelstrengs RNA-moleculen die zichzelf tot structuren vouwen zonder topologische knopen. Zou deze truc opnieuw kunnen werken voor enkelstrengs DNA- of RNA-origami?

Ze waren in staat om de code te kraken van hoe RNA structuren maakt om een ​​volledig programmeerbare enkelstrengs origami-architectuur te ontwikkelen.

"De belangrijkste innovatie van onze studie is om DNA en RNA te gebruiken om een ​​structureel complexe maar knoopvrije structuur te construeren die soepel kan worden gevouwen uit een enkele streng, "Zei Yan. "Dit gaf ons een ontwerpstrategie waarmee we één lange streng in een complexe architectuur konden vouwen."

"Met hulp van een computerwetenschapper in het team, we kunnen het ontwerpproces ook codificeren als een wiskundig rigoureus formeel algoritme en het ontwerp automatiseren door een gebruiksvriendelijke softwaretool te ontwikkelen, " zei Jan.

Het algoritme en de software werden gevalideerd door het geautomatiseerde ontwerp en de experimentele constructie van zes verschillende DNA ssOrigami-structuren (vier ruiten en twee hartvormen).

Vorm en functie

Het is één ding om sluwe patronen en smileygezichten met DNA te maken, maar critici van DNA-origami vroegen zich af wanneer de praktische toepassingen zouden komen.

Nutsvoorzieningen, deze zijn mogelijk. "Ik denk dat we veel dichter bij echte praktische toepassingen van de technologie staan, " zei Yan. "We kijken actief naar de eerste toepassingen voor nanogeneeskunde met onze ssOrigami-technologie."

Ze konden ook aantonen dat een gevouwen ssOrigami-structuur kan worden gesmolten en gebruikt als een sjabloon voor amplificatie door DNA-kopiërende enzymen in een reageerbuis en dat de ssOrigami-streng kan worden gerepliceerd en geamplificeerd via klonale productie in levende cellen.

"Enkelstrengs DNA-nanostructuren gevormd via zelfvouwing bieden een groter potentieel om amplificeerbaar te zijn, repliceerbaar, en kloneerbaar, en daarmee de mogelijkheid voor kostenefficiënte, grootschalige productie met behulp van enzymatische en biologische replicatie, evenals de mogelijkheid om in vitro evolutie te gebruiken om geavanceerde fenotypes en functionaliteiten te produceren, " zei Jan.

Dezelfde ontwerpregels kunnen worden gebruikt voor DNA's chemische neef, RNA.

Een belangrijk ontwerpkenmerk van enkelstrengs origami (ssOrigami) is dat de streng kan worden gemaakt en gekopieerd in het laboratorium en in levende cellen en vervolgens kan worden gevouwen tot designerstructuren door het DNA te verwarmen en af ​​te koelen.

Om het in het lab te maken, ze gebruikten de fotokopieermachine van kloonsequenties, genaamd PCR, om ssDNA te repliceren en te produceren.

In levende cellen, ze plaatsten het eerst in een muilezel van moleculair klonen, een plasmide genoemd, nadat het in een gewone laboratoriumbacterie was geplaatst, E. coli-cellen genaamd. Toen ze de bacteriën behandelden met enzymen om het ssDNA vrij te maken, ze zouden het kunnen isoleren, en vouw het dan in zijn doelstructuur.

"Omdat plasmide-DNA gemakkelijk kan worden gerepliceerd in E. coli, de productie kan worden opgeschaald door tegen lage kosten een groot volume E. coli-cellen te kweken, "zei Yan. Dit omzeilt de beperking om al het DNA in het laboratorium helemaal opnieuw te moeten synthetiseren, wat veel duurder is.

Het beweegt ze nu ook in een richting, waar ze mogelijk de structuren in cellen kunnen maken.

"Hier laten we bacteriën zien om de streng te maken, maar moet nog steeds thermisch gloeien buiten de bacteriën om de structuur te vormen, " zei Yan. "De ideale situatie zou zijn om een ​​RNA-sequentie te ontwerpen die in de bacteriën kan worden getranscribeerd, en vouwen in de bacteriën zodat we bacteriën kunnen gebruiken als nanofabriek om het materiaal te produceren."

Hier, ze demonstreerden een raamwerk voor het ontwerpen en synthetiseren van een enkele DNA- of RNA-streng om zichzelf efficiënt te vouwen tot een ongeknoopte compacte ssOrigami-structuur die elke willekeurige door de gebruiker voorgeschreven doelvorm benadert.

"De enkelstrengsheid ervan maakte de demonstratie van gemakkelijke replicatie van de streng in vitro en in levende cellen mogelijk, en dankzij de programmeerbaarheid konden we het ontwerpproces codificeren en een eenvoudige webgebaseerde geautomatiseerde ontwerptool ontwikkelen."

Een nieuwe ontwerpschool

In de software (zie http://dna.kwonan.com/), gemaakt door een samenwerking met BioNano Research Group, Autodesk-onderzoek, eerst, de gebruiker kiest een doelvorm, die wordt omgezet in pixelweergave. De gebruiker kan een 2D-afbeelding uploaden of een vorm tekenen met behulp van een 2D-pixelontwerpeditor.

De gebruiker kan optioneel DNA-haarspelden of -lussen toevoegen, die kunnen dienen als oppervlaktemarkeringen of handvatten voor het bevestigen van externe entiteiten. De pixels worden omgezet in DNA-helixdomeinen en vergrendelende domeinen om het vouwen te doen. De software genereert dan ssOrigami-structuren en sequenties, en de gebruiker kan de moleculaire structuur bekijken via een ingebouwde moleculaire viewer. Eindelijk, de DNA-sequentie wordt toegewezen aan de cyclusstreng, en de verwachte gevouwen structuur vervaardigd in het laboratorium en visueel bevestigd door het te bekijken onder een krachtige microscoop die de ogen zijn van nanotechnologie, atoomkrachtmicroscopie, of AFM.

"We hebben de complexiteit echt opgeschaald en tegelijkertijd de kosten verlaagd, "zei Yan. "Deze studie breidt de ontwerpruimte en schaalbaarheid voor bottom-up nanotechnologie aanzienlijk uit, en opent de deur voor gezondheidstoepassingen."