Hoe maak je nanokooien, d.w.z., robuuste en stabiele objecten met regelmatige holtes en afstembare eigenschappen? Korte segmenten van DNA-moleculen zijn perfecte kandidaten voor het beheersbare ontwerp van nieuwe complexe structuren. Natuurkundigen van de Universiteit van Wenen, de Technische Universiteit van Wenen, het Jülich Research Center in Duitsland en de Cornell University in de V.S., onderzochte methodologieën om DNA-gebaseerde dendrimeren in het laboratorium te synthetiseren en om hun gedrag te voorspellen met behulp van gedetailleerde computersimulaties. Hun resultaten zijn gepubliceerd in nanoschaal .

Nanokooien zijn zeer interessante moleculaire constructies, vanuit het oogpunt van zowel fundamentele wetenschap als mogelijke toepassingen. De holtes van deze nanometergrote objecten kunnen worden gebruikt als dragers van kleinere moleculen, wat in de geneeskunde van cruciaal belang is voor de levering van geneesmiddelen of genen in levende organismen. Dit idee bracht onderzoekers uit verschillende interdisciplinaire gebieden samen die dendrimeren hebben onderzocht als veelbelovende kandidaten voor het maken van dergelijke nano-dragers. Hun boomachtige architectuur en stapsgewijze groei met zich herhalende gelijkaardige eenheden resulteert in dendrimeren met holtes, holle objecten met controleerbaar ontwerp. Hoe dan ook, tientallen jaren van onderzoek hebben aangetoond dat een groot aantal verschillende soorten dendrimeer het terugvouwen van buitenste takken ervaren met groeiende dendrimeergeneraties, wat aanleiding geeft tot een hogere dichtheid van bestanddelen in het inwendige van het molecuul. Het effect van terugvouwen wordt versterkt door toevoeging van zout in de oplossing, waarbij flexibele dendrimeren aanzienlijk krimpen, worden compacte objecten zonder holle ruimtes in hun interieur.

Het team van medewerkers bestond uit Nataša Adžić en Christos Likos (Universiteit van Wenen), Clemens Jochum en Gerhard Kahl (TU Wien), Emmanuel Stiakakis (Jülich) evenals Thomas Derrien en Dan Luo (Cornell). De onderzoekers hebben een manier gevonden om dendrimeren te maken die stijf genoeg zijn om het terugvouwen van de buitenste armen te voorkomen, zelfs in het geval van generaties met veel vertakkingen. behoud van regelmatige holtes in hun interieur. Bovendien, hun nieuwe macromoleculen worden gekenmerkt door een opmerkelijke weerstand tegen toegevoegd zout:ze toonden aan dat de morfologie en conformationele kenmerken van deze systemen onaangetast blijven, zelfs bij toevoeging van zout, zelfs bij hoge concentraties. De nanokooien die ze hebben gemaakt, in het laboratorium en computationeel bestudeerd zijn op DNA gebaseerde dendrimeren, of zogenaamd dendrimeer-achtige DNA's (DL-DNA). De bouwsteen waaruit ze zijn samengesteld, is een Y-vormige dubbelstrengs DNA-eenheid, een driearmige structuur bestaande uit dubbelstrengs DNA (ds-DNA), gevormd via hybridisatie van drie enkelstrengs DNA-ketens (ss-DNA), die elk gedeeltelijk complementaire sequenties hebben met de andere twee. Elke arm bestaat uit 13 basenparen en een enkelstrengs kleverig uiteinde met vier nucleobasen die als lijm werken. Terwijl een enkel Y-DNA overeenkomt met de eerste dendrimeergeneratie, de aanhechting van verdere Y-DNA-elementen levert DL-DNA van hogere generaties op. Het resulterende dendrimeer is een geladen en hol bevattende macromoleculaire samenstelling met een boomachtige architectuur. Vanwege de stijfheid van dsDNA, de takken van DL-DNA zijn stijf zodat het hele molecuul stijf is. Omdat DNA geladen is, de elektrostatische afstoting verhoogt de stijfheid van het molecuul.

DL-DNA molecules have been assembled in the laboratory by the Jülich and Cornell partners with remarkable control and sub-nanometer precision through programmable sticky-end cohesions. Their step-wise growth is highly controllable, unidirectional and non-reversible. This property is of high importance, as it has been shown that DNA-based dendrimers have been envisioned to play a promising role in developing nanoscale-barcodes, DNA-based vaccine technologies, as well as a structural probes involving multiplexed molecular sensing processes. Sizes, shapes as well as additional conformational details invisible to the experimentalists, such as the size of voids and the degree of branches back-folding, have been analyzed by computer simulations in Vienna. To describe the complex structure of DNA units, the group used a simple monomer-resolved model with interactions carefully chosen to mimic the equilibrium properties of DNA in physiological solution. The excellent agreement obtained between experiments and simulations for the dendrimer characteristics validates the theoretical models employed and paves the way for further investigation of the nanocages' properties and their applications as functional and smart nanocarriers and as building blocks for  engineering biocompatible artificial materials.