In het afgelopen decennium is onderzoekers hebben gewerkt aan het maken van materialen en apparaten op nanoschaal die DNA als constructiemateriaal gebruiken via een proces dat 'DNA-origami' wordt genoemd.

Een enkele lange "stellage" DNA-streng kan in specifieke vormen worden gevouwen door honderden kortere strengen, bijvoorbeeld. De volgorde van basen in elke korte streng fungeert als een blauwdruk die het uiteindelijke DNA van het scaffold dicteert, 3D-vorm.

Wetenschappers hopen deze methode te gebruiken om moleculaire apparaten te ontwikkelen die functioneren als machines op nanoschaal of apparaten voor het afleveren van medicijnen. markers voor medische beeldvorming of biologisch onderzoek, en componenten voor elektronische apparaten.

Lange DNA-steigers - samengesteld uit meer dan 10, 000 structurele DNA-eenheden genaamd "nucleotiden" - zijn moeilijk te vervaardigen en te manipuleren, die tot nu toe de grootte van origami-structuren heeft beperkt. Het is ook moeilijk gebleken om de 3D-structuur van deze nanodeeltjes in hun natuurlijke, flexibele staat.

Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, een team van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) en de Ohio State University hebben 3D-beelden gegenereerd van 129 individuele moleculen van flexibele DNA-origamideeltjes. Hun werk biedt de eerste experimentele verificatie van het theoretische model van DNA-origami.

De methoden die hier worden gebruikt, kunnen gemakkelijk worden toegepast op andere soorten gefabriceerde DNA-origamistructuren, en helpen bij het ontwerpen en optimaliseren van toekomstige constructies. Hun werk is onlangs gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Het onderzoeksteam concentreerde zich op DNA-structuren gemodelleerd naar een basismechanisme genaamd een "Bennett-koppeling, " wat een 3D-structuur is die bestaat uit een ketting van vier staven verbonden door scharnieren. Dit creëert een scheve vierhoekige vorm waarin de scharnieren niet evenwijdig of in lijn zijn. Door Bennett-koppelingen als bouwstenen te gebruiken, het is mogelijk om uitbreidbare, nuttige structuren, zoals steunen voor tenten die snel kunnen worden gemonteerd.

DNA-origami-structuren zijn zeer uitdagend om te bestuderen omdat ze erg flexibel en delicaat zijn, en elk molecuul heeft een unieke 3D-vorm. Deze variabiliteit maakt conventionele beeldvormingsmethoden, zoals single-particle cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM), minder geschikt. Cryo-EM omvat uitgebreide computer "middeling" van duizenden tot honderdduizenden vergelijkbare moleculen. Als resultaat, informatie over de flexibele delen van DNA-origami-structuren kan gemakkelijk worden weggemiddeld, waardoor een onvolledig beeld van de constructie ontstaat.

De onderzoekers vertrouwden op een techniek die is ontwikkeld in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, een onderzoeksfaciliteit voor wetenschap op nanoschaal, om de individuele moleculen die deze structuren vormen in beeld te brengen. De methode, zogenaamde individuele-deeltjeselektronentomografie (IPET), maakt foto's van een doelmolecuul vanuit meerdere kijkhoeken, en combineert deze foto's vervolgens om één 3D te maken, weergave van hele moleculen, vergelijkbaar met hoe een medische computertomografie (CT) -scan werkt.

Onderzoekers maakten 129 3D-beelden, met een resolutie van 6 tot 14 nanometer, waardoor ze informatie konden verzamelen over de dynamiek en flexibiliteit van DNA-origamistructuren.

"De reconstructies bevestigden dat Bennett-koppelingen een hoge mate van structurele diversiteit hebben, " zei Bende "Gary" Ren, stafwetenschapper bij de Imaging Facility van de Molecular Foundry en co-leider van de studie.

Een geometrische analyse van deze reconstructies laat zien dat de conformaties van Bennett-koppelingsmechanismen goed overeenkomen met de theoretische modellen. Wanneer de koppelingen in de buurt van hun "open" staat zijn, het "scharnier" is bijna volledig uitgeschoven. Wanneer de structuren dichter bij hun "gesloten" conformatie zijn, de structuren nemen verschillende vormen aan en zijn extreem flexibel en vervormd.

"Op basis van deze resultaten en de modelvisualisaties van de Bennett-koppelingen, we een nieuwe strategie kunnen voorstellen voor het verbeteren van onze controle over Bennett-koppelingen in grote DNA-steigers, " zei Ren. "De aanpak omvat het herontwerpen van de DNA-sequenties in de buurt van de gewrichten om de structuur te verstevigen en te voorkomen dat deze in de buurt van dit gewricht vervormt."