Een team van wetenschappers van ASU en Shanghai Jiao Tong University (SJTU) onder leiding van Hao Yan, ASU's Milton Glick Professor in de School of Molecular Sciences, en directeur van het ASU Biodesign Institute's Centre for Molecular Design and Biomimetics, heeft zojuist de creatie aangekondigd van een nieuw type meta-DNA-structuren die de velden van opto-elektronica (inclusief informatieopslag en encryptie) en synthetische biologie zullen openen.

Dit onderzoek is vandaag gepubliceerd in Natuurchemie - inderdaad, het concept van meta-DNA-zelfassemblage kan de microscopische wereld van structurele DNA-nanotechnologie volledig transformeren.

Het is algemeen bekend dat de voorspelbare aard van Watson-Crick basenparing en de structurele kenmerken van DNA het mogelijk hebben gemaakt dat DNA kan worden gebruikt als een veelzijdige bouwsteen om geavanceerde structuren en apparaten op nanoschaal te ontwikkelen.

"Een mijlpaal in de DNA-technologie was zeker de uitvinding van DNA-origami, waar een lang enkelstrengs DNA (ssDNA) in bepaalde vormen wordt gevouwen met behulp van honderden korte DNA-stapelstrengen, ", legt Yan uit. "Het was echter een uitdaging om grotere (micron tot millimeter) DNA-architecturen samen te stellen die tot voor kort het gebruik van DNA-origami beperkten." De nieuwe structuren van micronformaat zijn in de orde van grootte van een mensenhaar die 1000 keer groter is dan de oorspronkelijke DNA-nanostructuren.

Sinds het sieren van de cover van Wetenschap Magazine in 2011 met hun elegante DNA-origami-nanostructuren, Yan en medewerkers hebben onvermoeibaar gewerkt, profiteren van inspiratie uit de natuur, complexe menselijke problemen proberen op te lossen.

"In dit huidige onderzoek hebben we een veelzijdige "meta-DNA" (M-DNA) -strategie ontwikkeld waarmee verschillende DNA-structuren van submicrometer tot micrometer zichzelf konden assembleren op een manier die vergelijkbaar is met hoe eenvoudige korte DNA-strengen zichzelf assembleren aan de nanoschaal niveau, " zei Jan.

De groep toonde aan dat een origami-nanostructuur met 6 helixbundels op submicrometerschaal (meta-DNA) kan worden gebruikt als een vergroot analoog van enkelstrengs DNA (ssDNA), en dat twee meta-DNA's die complementaire "meta-basenparen" bevatten, dubbele helices zouden kunnen vormen met geprogrammeerde handigheid en spiraalvormige pitches.

Met behulp van meta-DNA-bouwstenen hebben ze een reeks DNA-architecturen op submicrometer tot micrometerschaal geconstrueerd, inclusief meta-multi-arm junctions, 3D-veelvlakken, en diverse 2-D/3-D roosters. Ze demonstreerden ook een hiërarchische strengverplaatsingsreactie op meta-DNA om de dynamische kenmerken van DNA over te dragen naar het meta-DNA.

Met de hulp van assistent-professor Petr Sulc (SMS) gebruikten ze een grofkorrelig computermodel van het DNA om de dubbelstrengs M-DNA-structuur te simuleren en om de verschillende opbrengsten van linkshandige en rechtshandige structuren te begrijpen die werden verkregen .

Verder, door alleen de lokale flexibiliteit van het individuele M-DNA en hun interacties te veranderen, ze waren in staat om een ​​reeks submicrometer- of micronschaal-DNA-structuren te bouwen van 1D naar 3D met een grote verscheidenheid aan geometrische vormen, inclusief meta-juncties, meta-dubbele crossover-tegels (M-DX), tetraëders, octaëders, prisma's, en zes soorten dicht opeengepakte roosters.

In de toekomst, meer gecompliceerde schakelingen, moleculaire motoren, en nanodevices kunnen rationeel worden ontworpen met behulp van M-DNA en worden gebruikt in toepassingen die verband houden met biosensing en moleculaire berekening. Dit onderzoek zal de creatie van dynamische DNA-structuren op micronschaal mogelijk maken, die herconfigureerbaar zijn na stimulatie, aanzienlijk haalbaarder.

De auteurs verwachten dat de introductie van deze M-DNA-strategie de DNA-nanotechnologie zal transformeren van de nanometer naar de microscopische schaal. Dit zal een reeks complexe statische en dynamische structuren creëren in de submicrometer en micronschaal die veel nieuwe toepassingen mogelijk zullen maken.

Bijvoorbeeld, deze structuren kunnen worden gebruikt als een steiger voor het patroontekenen van complexe functionele componenten die groter en complexer zijn dan eerder voor mogelijk werd gehouden. Deze ontdekking kan ook leiden tot meer verfijnd en complex gedrag dat cel- of cellulaire componenten nabootst met een combinatie van verschillende op M-DNA gebaseerde hiërarchische strengverplaatsingsreacties.