Als het gaat om het combineren van eenvoud met een duizelingwekkend creatief potentieel, DNA kan de prijs in handen hebben. Opgebouwd uit een alfabet van slechts vier nucleïnezuren, DNA zorgt voor de plattegrond waaruit al het aardse leven is opgebouwd.

Maar daar houdt de opmerkelijke veelzijdigheid van DNA niet op. Onderzoekers zijn erin geslaagd om segmenten van DNA over te halen tot het uitvoeren van een groot aantal nuttige trucs. DNA-sequenties kunnen logische circuits vormen voor nano-elektronische toepassingen. Ze zijn gebruikt om geavanceerde wiskundige berekeningen uit te voeren, zoals het vinden van het optimale pad tussen meerdere steden. En DNA is de basis voor een nieuw soort kleine robots en nanomachines. Duizenden malen kleiner dan een bacterie, dergelijke apparaten kunnen een groot aantal taken uitvoeren.

Bij nieuw onderzoek Hao Yan van de Arizona State University en zijn collega's beschrijven een innovatieve DNA-walker, in staat om snel een geprepareerd spoor te doorkruisen. In plaats van langzaam, voorzichtige stappen over een oppervlak, de DNA-acrobaat radslagen hals over kop, de grond 10 tot 100 keer sneller afdekken dan eerdere apparaten.

"Het is opwindend om te zien dat DNA-walkers hun snelheid aanzienlijk kunnen verhogen door de lengte en sequenties van de DNA-strengen te optimaliseren, de gezamenlijke inspanning heeft dit echt mogelijk gemaakt, ' zei Jan.

Yan is de Milton D. Glick Distinguished Professor of Chemistry and Biochemistry aan de ASU en directeur van het Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics.

De studie werd geleid door Nils G. Walter, Francis S. Collins Collegiale hoogleraar scheikunde, Biofysica en biologische chemie, stichtend directeur van het Single Molecule Analysis in Real-Time (SMART) Center en medeoprichter van het Center for RNA Biomedicine aan de Universiteit van Michigan, en zijn team, samen met medewerkers van het Wyss Institute, het Dana Farber Cancer Institute en de afdeling Biologische Chemie van Harvard (allemaal in Boston, Massachusetts).

"De truc was om de wandelaar hals over kop te laten gaan, wat zoveel sneller is dan het eerder gebruikte huppelen - net zoals je zou zien in een kungfu-actiefilm waarin de held versnelt door te radslagen om de schurk te vangen, "zegt Wouter.

De verbeteringen in snelheid en voortbeweging die door de nieuwe rollator worden getoond, moeten verdere innovaties op het gebied van DNA-nanotechnologie aanmoedigen.

De bevindingen van de groep verschijnen in het geavanceerde online nummer van het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Bouwen met DNA

Nanoarchitecten bouwen hun DNA-structuren, motoren en circuits volgens hetzelfde basisprincipe als de natuur. De vier nucleotiden, gelabeld A, T, C en G, binden aan elkaar volgens een eenvoudige en voorspelbare regel:C's koppelen altijd met G's en As altijd koppelen met T's. Dus, verschillende lengtes van DNA kunnen worden geprogrammeerd om zichzelf te assembleren, aan elkaar klikken om een ​​onbeperkte verscheidenheid aan twee- en driedimensionale nanostructuren te vormen. Met slimme verfijning, onderzoekers hebben hun ooit statische nano-creaties kunnen uitrusten met dynamische eigenschappen.

Een van de meer innovatieve toepassingen van DNA-nanotechnologie is het ontwerp van looprobots die zijn samengesteld uit DNA-strengen die achtereenvolgens stapsgewijs over een pad bewegen. De methode waarmee DNA-segmenten over een bepaald gebied kunnen wandelen, staat bekend als strengverplaatsing.

Het proces werkt als volgt:een been van het robotapparaat is DNA-streng 1, die is gebonden aan complementaire streng 2, door middel van een normale basenparing. Strand 1 bevat een extra, ongepaarde sequentie bungelend aan het einde, die bekend staat als de teenhold.

Volgende, DNA-streng 3 wordt aangetroffen. Deze streng is complementair aan DNA-streng 1 en bevat een toehold-sequentie die complementair is aan DNA-streng 1. Zodra de teengreep van streng 3 bindt met de teengreep van streng 1, het begint achtereenvolgens elke streng 2 nucleotide te verplaatsen, een voor een, totdat streng 2 volledig is vervangen door streng 3. streng 2 dissocieert dan van streng 1 en het proces kan opnieuw beginnen. (Zie figuur 1).

Toehold-gemedieerde strandverplaatsing, die de basis vormt van andere DNA-nanodevices, stelt DNA-structuren in staat om van de ene complementaire steunpunt op het loopoppervlak naar de volgende te gaan. Omdat elke DNA-streng wordt vervangen door een nieuwe streng, het nano-wezen zet een stap voorwaarts.

Snelwandelen

Er zijn succesvolle DNA-walkers van verschillende soorten ontworpen en ze hebben het vermogen aangetoond om vracht van nanoformaat van plaats naar plaats te vervoeren. Tot nu, echter, the strand displacement reactions they rely on have been slow, generally requiring several minutes to move a short distance. This is much slower than naturally occurring processes in living systems like protein motors, which can perform feats of dissociation similar to strand displacement in much faster time frames.

While theoretical calculations suggest that individual operations by such nanodevices should occur in seconds or less, in praktijk, such operations typically require minutes or even hours. (A recently designed cargo-sorting walker for example required 5 minutes for each step, with foothold spacings just 6 nm apart. This speed was on a par with similar strand-displacement walkers.)

In de nieuwe studie researchers sought to optimize this process to see how quickly a walker designed with speed in mind could move. The limiting factor in terms of speed did not appear to be the strand displacement process itself, but rather the lack of fine-tuned optimization in the overall walker design.

The team redesigned their walker for maximum speed and used a fluorescent imaging technique known as smFRET (for single-molecule fluorescence resonance imaging transfer) to chart the DNA walker's progress and evaluate its subtle kinetic properties.

By altering the lengths of toehold sequences and branching migration points, the stepping rate could be keenly optimized, making for a briskly moving nanorobot that left competitors in the dust, boasting stepping rates a full order of magnitude faster than previous DNA walkers.

Freewheeling nanorobot

Part of the robot's advantage over its competitors is due to its unusual technique of locomotion. Rather than simply stepping from one surface foothold to the next, the acrobatic walker moves head over heels in a cartwheel fashion, while remaining securely bound to at least one foothold at all times.

The stability of the double-stranded sequences anchoring the base of the robot to the track surface, while the free toehold searches out the next complementary sequence, may be one factor improving the walker's speed. The cartwheeling design also allows strand displacement to sequentially proceed in a direction away from the foothold surface, wat de efficiëntie verbetert.

Once the walker was optimized, super-resolved single particle tracking was used to observe the device's movement over a 2-D surface studded with footholds for the walker, covering a range of up to 2 microns. The best walker optimized in the study was able to search ~43 foothold sites per minute with a stepping distance of ~ 10nm. Strand displacement occurred at rates of about a tenth of a second. Analysis suggests the device can take hundreds of steps without dissociating.

Future steps

While still lagging behind naturally occurring protein reactions, the optimized cartwheeling walker offers a marked advancement in performance, representing an order of magnitude improvement over earlier versions, while not consuming any fuel. Borrowing further insights from natural systems may allow dynamical DNA devices like the walker to accelerate even more in the future by converting chemical energy into directed speed.

The study underlines the opportunities for optimization of a range of DNA nanostructures, considerably enhancing their speed and versatility.