Beweeg over Mona Lisa, hier komt boter-kaas-en-eieren.

Het was ongeveer een jaar geleden dat Caltech-wetenschappers in het laboratorium van Lulu Qian, assistent-professor bio-engineering, kondigde aan dat ze een techniek hadden gebruikt die bekend staat als DNA-origami om tegels te maken die kunnen worden ontworpen om zelf te assembleren tot grotere nanostructuren met vooraf ontworpen patronen. Ze kozen ervoor om 's werelds kleinste versie van de iconische Mona Lisa te maken.

De prestatie was indrukwekkend, maar de techniek had een beperking die vergelijkbaar was met die van Leonardo da Vinci's olieverf:zodra de afbeelding was gemaakt, het kon niet gemakkelijk worden veranderd.

Nutsvoorzieningen, het Caltech-team heeft weer een sprong voorwaarts gemaakt met de technologie. Ze hebben nieuwe tegels gemaakt die dynamischer zijn, waardoor de onderzoekers reeds gebouwde DNA-structuren kunnen hervormen. Toen Paul Rothemund (BS '94) van Caltech meer dan tien jaar geleden pionierde met DNA-origami, hij gebruikte de techniek om een ​​smiley te bouwen. Qian's team kan die glimlach nu omzetten in een frons, en dan, als ze willen, Draai die frons ondersteboven. En ze zijn nog verder gegaan, een microscopisch spel van boter-kaas-en-eieren waarin spelers hun X'en en O's plaatsen door speciale DNA-tegels aan het bord toe te voegen.

"We hebben een mechanisme ontwikkeld om de dynamische interacties tussen complexe DNA-nanostructuren te programmeren, ", zegt Qian. "Door dit mechanisme te gebruiken, we hebben 's werelds kleinste spelbord gemaakt om boter-kaas-en-eieren te spelen, waarbij elke beweging moleculaire zelf-herconfiguratie inhoudt om honderden DNA-strengen tegelijk in en uit te wisselen."

De stukjes bij elkaar brengen

Dat swapmechanisme combineert twee eerder ontwikkelde DNA-nanotechnologieën. Het maakt gebruik van de bouwstenen van de ene en het algemene concept van de andere:zelf-assemblerende tegels, die werden gebruikt om de kleine Mona Lisa te maken; en strengverplaatsing, die door het team van Qian is gebruikt om DNA-robots te bouwen.

Beide technologieën maken gebruik van het vermogen van DNA om te worden geprogrammeerd via de rangschikking van de moleculen. Elke DNA-streng bestaat uit een ruggengraat en vier soorten moleculen die bekend staan ​​als basen. Deze basen - adenine, guanine, cytosine, en thymine, afgekort als A, T, C, en G - kan in elke volgorde worden gerangschikt, waarbij de volgorde informatie weergeeft die door cellen kan worden gebruikt, of in dit geval door gemanipuleerde nanomachines.

De tweede eigenschap van DNA die het bruikbaar maakt voor het bouwen van nanostructuren is dat de A, T, C, en G-basen hebben een natuurlijke neiging om te paren met hun tegenhangers. De A basenparen met T, en C paren met G. Bij uitbreiding, elke sequentie van basen zal willen paren met een complementaire sequentie. Bijvoorbeeld, ATTAGCA zal willen koppelen met TAATCGT.

Echter, een reeks kan ook gepaard gaan met een gedeeltelijk overeenkomende reeks. Als ATTAGCA en TAATACC werden samengevoegd, hun ATTA- en TAAT-porties zouden paren, en de niet-overeenkomende delen zouden van de uiteinden bungelen. Hoe nauwer twee strengen elkaar aanvullen, hoe meer ze zich tot elkaar aangetrokken voelen, en hoe sterker ze hechten.

Om je voor te stellen wat er gebeurt bij strengverplaatsing, stel je twee mensen voor die aan het daten zijn en verschillende dingen gemeen hebben. Amy houdt van honden, hiking, films, en naar het strand gaan. Adam houdt van honden, hiking, en wijnproeverij. Ze hechten aan hun gedeelde interesse in honden en wandelen. Dan komt er nog een persoon in beeld. Eddie houdt toevallig van honden, hiking, films, en bowlen. Amy realiseert zich dat ze drie dingen gemeen heeft met Eddie:en slechts twee gemeen met Adam. Amy en Eddie voelen zich sterk tot elkaar aangetrokken, en Adam wordt gedumpt - als een verplaatste DNA-streng.

De andere technologie, zelf-assemblerende tegels, is eenvoudiger uit te leggen. Eigenlijk, de tegels, hoewel ze allemaal vierkant van vorm zijn, zijn ontworpen om zich te gedragen als de stukjes van een legpuzzel. Elke tegel heeft zijn eigen plaats in de samengestelde afbeelding, en het past alleen op die plek.

Bij het creëren van hun nieuwe technologie, Qian's team doordrenkte zelf-assemblerende tegels met verplaatsingscapaciteiten. Het resultaat zijn tegels die hun aangewezen plek in een structuur kunnen vinden en vervolgens de tegel die die positie al inneemt eruit schoppen. Terwijl Eddie slechts een band had met één persoon, waardoor een ander tegen de stoeprand wordt geschopt, de tegels lijken meer op een geadopteerd kind dat zo sterk verbonden is met een nieuw gezin dat ze de titel 'favoriet' wegnemen van biologische nakomelingen.

"In dit werk, we hebben het mechanisme van tegelverplaatsing uitgevonden, die het abstracte principe van strengverplaatsing volgt maar op grotere schaal voorkomt tussen DNA-origamistructuren, ", zegt Qian's voormalige afgestudeerde student Philip Petersen (Ph.D. '18), hoofdauteur van de studie. "Dit is het eerste mechanisme dat kan worden gebruikt om dynamisch gedrag te programmeren in systemen met meerdere op elkaar inwerkende DNA-origamistructuren."

Laten we gaan spelen

Om het boter-kaas-en-eieren-spel te starten, Qian's team verwisselde een oplossing van blanco bordtegels in een reageerbuis. Nadat het bord zichzelf had samengesteld, de spelers voegden om de beurt ofwel X tegels of O tegels toe aan de oplossing. Vanwege de programmeerbare aard van het DNA waaruit ze zijn gemaakt, de tegels zijn ontworpen om op specifieke plekken op het bord te schuiven, ter vervanging van de lege tegels die er waren geweest. Een X-tegel kan worden ontworpen om alleen in de linkerbenedenhoek van het bord te schuiven, bijvoorbeeld. Spelers konden een X of en O op elke lege plek zetten die ze wilden door tegels te gebruiken die ontworpen waren om te gaan waar ze wilden. Na zes dagen meeslepende gameplay, speler X kwam als overwinnaar uit de strijd.

Blijkbaar, geen enkele ouder zal zich haasten om voor hun kinderen een boter-kaas-en-eieren-spel te kopen dat bijna een week duurt om te spelen, maar boter-kaas-en-eieren is niet echt het punt, zegt Grigory Tikhomirov, senior postdoctoraal onderzoeker en co-eerste auteur van de studie. Het doel is om de technologie te gebruiken om nanomachines te ontwikkelen die kunnen worden aangepast of gerepareerd nadat ze al zijn gebouwd.

"Als je een lekke band krijgt, u zult het waarschijnlijk gewoon vervangen in plaats van een nieuwe auto te kopen. Een dergelijke handmatige reparatie is niet mogelijk voor machines op nanoschaal, " zegt hij. "Maar met dit tegelverplaatsingsproces ontdekten we, het wordt mogelijk om meerdere onderdelen van gemanipuleerde nanoschaalmachines te vervangen en te upgraden om ze efficiënter en geavanceerder te maken."

hun papier, getiteld "Op informatie gebaseerde autonome herconfiguratie in systemen van op elkaar inwerkende DNA-nanostructuren, " verschijnt in het nummer van 18 december van Natuurcommunicatie .