Net zoals de stoommachine het toneel vormde voor de industriële revolutie, en microtransistors leidden tot het digitale tijdperk, apparaten op nanoschaal gemaakt van DNA openen een nieuw tijdperk in biomedisch onderzoek en materiaalwetenschap.

Het journaal Wetenschap beschrijft het opkomende gebruik van DNA-mechanische apparaten in een "Perspectief" -artikel door Khalid Salaita, een professor in de chemie aan de Emory University, en Aaron Blanchard, een afgestudeerde student in de Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering, een gezamenlijk programma van Georgia Institute of Technology en Emory.

Het artikel luidt een nieuw veld in, die Blanchard "DNA-mechanotechnologie, " om DNA-machines te ontwikkelen die genereren, zenden en voelen mechanische krachten op nanoschaal.

"Voor een lange tijd, "Salaita zegt, "wetenschappers zijn goed geweest in het maken van micro-apparaten, honderden keren kleiner dan de breedte van een mensenhaar. Het was een grotere uitdaging om functionele nano-apparaten te maken, duizenden malen kleiner dan dat. Maar door DNA als de samenstellende delen te gebruiken, is het mogelijk om extreem ingewikkelde nano-apparaten te bouwen omdat de DNA-onderdelen zichzelf assembleren."

DNA, of deoxyribonucleïnezuur, slaat genetische informatie op en verzendt deze als een code die bestaat uit vier chemische basen:adenine (A), guanine (G), cytosine (C) en thymine (T). De DNA-basen hebben een natuurlijke affiniteit om met elkaar te paren - A met T en C met G. Synthetische DNA-strengen kunnen worden gecombineerd met natuurlijke DNA-strengen van bacteriofagen. Door de reeks letters op de strengen te verplaatsen, onderzoekers kunnen de DNA-strengen aan elkaar laten binden op manieren die verschillende vormen creëren. Ook de stijfheid van DNA-strengen kan eenvoudig worden aangepast, zodat ze recht blijven als een stuk droge spaghetti of buigen en oprollen als gekookte spaghetti.

Het idee om DNA als bouwmateriaal te gebruiken gaat terug tot de jaren 80, toen biochemicus Nadrian Seeman pionierde met DNA-nanotechnologie. Dit veld maakt gebruik van DNA-strengen om functionele apparaten op nanoschaal te maken. Het vermogen om deze nauwkeurig te maken, driedimensionale structuren begonnen als een noviteit, bijgenaamd DNA-origami, resulterend in objecten zoals een microscopische kaart van de wereld en, recenter, het kleinste spelletje boter-kaas-en-eieren, gespeeld op een DNA-bord.

Het werk aan nieuwe objecten blijft nieuwe inzichten verschaffen in de mechanische eigenschappen van DNA. Deze inzichten stimuleren het vermogen om DNA-machines te maken die genereren, mechanische krachten overbrengen en voelen.

"Als je deze drie hoofdcomponenten van mechanische apparaten samenvoegt, je begint hamers en tandwielen en wielen te krijgen en je kunt beginnen met het bouwen van nanomachines, " zegt Salaita. "DNA-mechanotechnologie vergroot de mogelijkheden voor onderzoek met biogeneeskunde en materiaalwetenschap. Het is alsof je een nieuw continent ontdekt en een nieuw territorium ontsluit om te verkennen."

Mogelijke toepassingen voor dergelijke apparaten zijn onder meer medicijnafgifteapparaten in de vorm van nanocapsules die opengaan wanneer ze een doellocatie bereiken, nanocomputers en nanorobots die werken aan assemblagelijnen op nanoschaal.

Het gebruik van DNA-zelfassemblage door de genomics-industrie, voor biomedisch onderzoek en diagnostiek, stuwt de DNA-mechanotechnologie verder, waardoor DNA-synthese goedkoop en gemakkelijk beschikbaar is. "In potentie kan iedereen een ontwerp van een nanomachine bedenken en realiseren, ' zegt Salaita.

Hij geeft het voorbeeld van het maken van een nanoschaar. "Je weet dat je twee stijve staven nodig hebt en dat ze moeten worden verbonden door een draaimechanisme, "zegt hij. "Door te sleutelen aan wat open-source software, je kunt dit ontwerp maken en vervolgens naar een computer gaan en een bestelling plaatsen om je ontwerp op maat te synthetiseren. Je ontvangt je bestelling in een koker. Je doet gewoon de inhoud van de tube in een oplossing, laat uw apparaat zelf monteren, en gebruik dan een microscoop om te zien of het werkt zoals je dacht dat het zou werken."

Salaita's lab is een van de slechts ongeveer 100 over de hele wereld die in de voorhoede van DNA-mechanotechnologie werken. Hij en Blanchard ontwikkelden 's werelds sterkste op synthetische DNA gebaseerde motor, die onlangs werd gerapporteerd in Nano Letters.

Een belangrijk aandachtspunt van Salaita's onderzoek is het in kaart brengen en meten van hoe cellen duwen en trekken om meer te weten te komen over de mechanische krachten die betrokken zijn bij het menselijk immuunsysteem.

Salaita ontwikkelde de eerste DNA-krachtmeters voor cellen, biedt het eerste gedetailleerde beeld van de mechanische krachten die het ene molecuul op het andere molecuul uitoefent over het gehele oppervlak van een levende cel. Het in kaart brengen van dergelijke krachten kan helpen bij het diagnosticeren en behandelen van ziekten die verband houden met cellulaire mechanica. Kankercellen, bijvoorbeeld, anders bewegen dan normale cellen, en het is onduidelijk of dat verschil een oorzaak of een gevolg van de ziekte is.

in 2016, Salaita gebruikte deze DNA-krachtmeters om het eerste directe bewijs te leveren voor de mechanische krachten van T-cellen, de bewakers van het immuunsysteem. Zijn lab liet zien hoe T-cellen een soort mechanische "handdruk" of ruk gebruiken om te testen of een cel die ze tegenkomen een vriend of vijand is. Deze mechanische sleepboten staan ​​centraal in de beslissing van een T-cel om al dan niet een immuunrespons op te zetten.

"Je bloed bevat miljoenen verschillende soorten T-cellen, en elke T-cel is geëvolueerd om een ​​bepaald pathogeen of vreemd agens te detecteren, Salaita legt uit. "T-cellen bemonsteren constant cellen door je hele lichaam met behulp van deze mechanische sleepboten. Ze binden en trekken aan eiwitten op het celoppervlak en, als de band sterk is, dat is een signaal dat de T-cel een vreemd middel heeft gevonden."

Salaita's laboratorium bouwde voort op deze ontdekking in een recent gepubliceerd artikel in de Proceedings van de National Academy of Sciences (PNAS) . Werk onder leiding van Emory-student scheikunde Rong Ma verfijnde de gevoeligheid van de DNA-krachtmeters. Ze kunnen deze mechanische sleepboten niet alleen detecteren met een kracht die zo klein is dat het bijna een miljardste is van het gewicht van een paperclip, ze kunnen ook het bewijs van sleepboten zo kort als een oogwenk vastleggen.

Het onderzoek geeft een ongekende kijk op de mechanische krachten die betrokken zijn bij het immuunsysteem. “Dat hebben we laten zien, naast dat het is ontwikkeld om bepaalde buitenlandse agenten te detecteren, T-cellen zullen ook zeer korte mechanische rukbewegingen uitoefenen op vreemde agentia die bijna overeenkomen, " zegt Salaita. "De frequentie en duur van de ruk hangt af van hoe nauw het vreemde middel overeenkomt met de T-celreceptor."

Het resultaat biedt een hulpmiddel om te voorspellen hoe sterk een immuunrespons van een T-cel zal zijn. "We hopen dat deze tool uiteindelijk kan worden gebruikt om immunotherapieën voor individuele kankerpatiënten te verfijnen, " zegt Salaita. "Het zou mogelijk kunnen helpen om T-cellen te ontwikkelen om achter bepaalde kankercellen aan te gaan."