Het gebied van intelligente nanorobotica is gebaseerd op de grote belofte van moleculaire apparaten met informatieverwerkingsmogelijkheden. In een nieuwe studie die de trend van op DNA gebaseerde informatiedragers ondersteunt, wetenschappers hebben een DNA-navigatiesysteem ontwikkeld dat enkelvoudige moleculen kan uitvoeren, parallel, diepte-eerst zoekacties op een tweedimensionaal origami-platform.

Pathfinding-operaties met DNA-navigators maken gebruik van een gelokaliseerd cascadeproces voor strenguitwisseling dat wordt gestart op een unieke triggerlocatie op het origami-platform. Automatische voortgang langs paden wordt mogelijk gemaakt door DNA-haarspelden die een universele traversale reeks bevatten. Met opzet, elke navigator met één molecuul kan autonoom elk van de mogelijke paden verkennen door een boom met 10 hoekpunten die in het onderzoek is geconstrueerd. De doolhoven waren gelijk aan een boom met een ingang aan de wortel en een uitgang door een van de bladeren. De studie uitgevoerd door Jie Chao en collega's resulteerde in het verkennen van alle paden die door de DNA-navigators werden genomen om een ​​specifiek oplossingspad te extraheren dat een bepaald paar begin- en eindpunten in het doolhof met elkaar verbond. Als resultaat, het oplossingspad werd duidelijk op het origami-platform gelegd en geïllustreerd met behulp van beeldvorming met één molecuul. De aanpak is nu gepubliceerd in Natuurmaterialen , detaillering van de realisatie van moleculaire materialen met ingebedde biomoleculaire computerfuncties om te werken op het niveau van het enkele molecuul met het potentieel om intelligente nanorobots te ontwikkelen voor toekomstige toepassingen in de industrie en de geneeskunde.

In het verleden werden geavanceerde moleculaire gereedschappen gebruikt om moleculaire machines te maken die chemische, fotonische of elektrische energie omzetten in roterende of lineaire bewegingen op nanoschaal. Bijvoorbeeld, Brownse beweging op nanoschaal kan gecontroleerd worden omgezet in gerichte bewegingen binnen op DNA gebaseerde nanomachines met behulp van DNA-hybridisatiereacties. Dergelijke op DNA gebaseerde machines werken autonoom door een ingebed 'moleculair programma' te volgen dat vooraf is ontworpen als een cascadereactie die handmatig wordt geactiveerd via een externe stimulus voor elke stap van de operatie.

De focus van het veld is geleidelijk verschoven naar het actualiseren van op DNA gebaseerde logische circuits met behulp van aptameren en DNAzymen om moleculaire logische poorten te ontwerpen. Bijvoorbeeld, in 2006, Stojanovic en collega's integreerden meer dan 100 logische DNA-poorten om een ​​automatisering genaamd MAYA-II te ontwikkelen om een ​​spelletje Tic-Tac-Toe te spelen. Eerdere studies toonden een enzymvrij computersysteem aan op basis van hybridisatiekettingreacties (HCR) om logische poorten en logische circuits te creëren voor robuustere en efficiëntere prestaties dan de originele systemen.

In de huidige studie van Chao et al, hetzelfde basisprincipe van het HCR-reactieschema werd in een andere computationele context gebruikt om een ​​DNA-navigatorsysteem met één molecuul te ontwikkelen. Het platform verkende alle mogelijke paden via een boomgrafiek ontworpen op een origami-structuur als een eenvoudig verbonden doolhof zonder cyclische paden. Dergelijke DNA-origamistructuren zijn van nature informatiedragende nanostructuren met een goed gedefinieerde geometrie op nanoschaal. Het doolhof zou kunnen worden onderzocht door proximale strenguitwisselingscascade (PSEC) op basis van hybridisatiekettingreacties. De onderzoekers toonden aan dat een systeem met een groot aantal DNA-navigators met één molecuul gezamenlijk parallelle diepte-eerst zoeken (PDFS) op de boom zou kunnen uitvoeren om het doolhof efficiënt op te lossen in 2D-origami. Aanvankelijk voerden de onderzoekers onderzoeken uit om het PSEC-ontwerp te testen.

Het proximale strenguitwisselingscascadesysteem (PSEC) (werkprincipe van de DNA-navigator) werd gefaciliteerd op een rechthoekig origami-substraat gemaakt van drie componenten, waaronder de fysieke implementatie van een boomgrafiek, volledige strengen en een initiatorstreng. Vacant areas without staple extensions corresponded to walls in the maze, preventing propagation of the strand exchange cascade. The entrance and exit were defined and denoted as ENT and EXIT respectively. In the second component, two types of DNA hairpins, T1 and T2, were used as fuels to drive the PSEC on the tree graph. The two hairpins coexisted metastably in solution to hybridize and fuel the PSEC process with free energy .

Met opzet, information only propagated through the network in the presence of an initiator (Initiator I). Upon addition of initiator I, PSEC was conducted and observed using atomic force microscopy (AFM). To visualize an established formation, the scientists enabled DNA-navigator-based formation of the number 2017 as a proof-of-principle. Another technique known as DNA-PAINT was employed as a single-molecule, super-resolution imaging technique to reveal molecular features at the nanoscale to further substantiate the PSEC-based path paving process. The on-origami PSEC was highly specific, without intra- or inter-origami crosstalk.

Kinetics of the process were investigated at the single-molecule level in the study using time-resolved total internal reflection fluorescence microscopy (TIRF) in a setup with a prescribed starting point (P0) and five intermediate steps (P1-P5). Fluorescence in the setup was quenched using fluorescence resonance energy transfer (FRET), and the cascade was observed in real time by recording fluorescence signals continuously. The average speed of propagation was recorded to be 2.46 nm per minute, propagation across the straight line (54.4 nm) took approximately 22 minutes.

The scientists then constructed the main model maze with 10 vertices that included an entrance vertex A and an exit vertex J, three junctions (B, NS, E) an intermediate vertex (I) and four dead ends (C, F, G, H). Each path of the maze that was equivalent to a tree with 10 vertices was investigated using DNA investigators starting at root A. The PSEC reactions produced a mixture of various paths on the maze, confirmed with AFM. Each individual PSEC could progress on one of the five possible paths. Statistical analysis of the length distribution showed that the measured paths coincided well with the values predicted.

To prevent the navigators from propagating through a wrong path with dead ends, the scientists designed a streptavidin-biotin tag-based method to selectively eliminate inaccurate path navigation. Only the correct path (P _ABDIJ ) was followed in the maze therefore. The computational context used in the study allowed exploration of paths through tree graphs defined on the origami. The autonomous path explored by the DNA navigators proceeded unidirectionally and irreversibly, turning at junctions and corners on the origami platform as they were designed to. The design enabled parallel depth first search (PDFS) allowing each DNA navigator to individually explore any one of the paths through the given graph at a defined speed, greater than that previously achieved.

The main advantage of the described biomolecular computer schemes in comparison to conventional electronic computing is they can be interfaced directly with biologically relevant processes. Als resultaat, the scientists envision translational biomedical sensing and decision-making platforms with DNA origami and single-molecule diagnostics using decision trees. Future applications will also include simple sensors or those coupled to a molecular actuator to trigger downstream molecular cascades.

© 2018 Wetenschap X Netwerk