211service.com
DNA-bouwstenen
Jarenlang hebben sommige onderzoekers gesuggereerd dat DNA kan worden gebruikt om complexe zelfassemblerende structuren en zelfs machines op nanoschaal te maken. Er zijn inderdaad al eenvoudige vormen, zoals kubussen, en eenvoudige apparaten, zoals een pincet, gemaakt van DNA. Maar sceptici hebben zich afgevraagd of DNA de stabiliteit heeft die nodig is voor meer geavanceerde apparaten.
Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Oxford stijve bouwstenen ontwikkeld uit DNA die kunnen worden ontworpen om zichzelf te assembleren tot complexere structuren. Deze blokken, die de vorm hebben van piramides, hebben hun nut al bewezen door de eerste metingen mogelijk te maken van de hoeveelheid kracht die DNA kan dragen zonder te knikken, aldus de onderzoekers.
Andrew Turberfield, hoogleraar natuurkunde in Oxford, en een onderzoeker die bij het werk betrokken was, zegt dat het een van de weinige voorbeelden is van het gebruik van een DNA-nanostructuur waarmee je daadwerkelijk iets kunt doen wat je voorheen niet kon. Het ziet er niet alleen mooi uit, het is ook nog eens handig.
De nieuwe metingen laten zien dat DNA een relatief sterk materiaal is, zegt Chris Dwyer, hoogleraar elektrotechniek en computertechniek aan de Duke University, die ook werkt aan de zelfassemblage van DNA. Dit verstevigt het argument dat we DNA-zelfassemblage kunnen gebruiken voor complexere structuren.
DNA is een aantrekkelijk materiaal voor zelf-geassembleerde apparaten omdat de opeenvolging van basen, die in het lichaam als de genetische code dienen, kan worden geprogrammeerd. Door deze code aan te passen, kunnen onderzoekers bepalen hoe strengen worden gecombineerd wanneer ze aan een oplossing worden toegevoegd.
In het werk in Oxford dienden vier DNA-strengen als basis voor de piramides. Elke streng vormt één driehoekig gezicht. De randen van deze driehoeken hebben open puzzelstukjes die aan een andere rand van een driehoek binden. Wanneer deze randen elkaar ontmoeten, vouwen de driehoeken zich in de vorm van een piramide. Door simpelweg het juiste aantal verschillende strengen met elkaar te mengen, hebben de onderzoekers biljoenen piramides gebouwd - en in slechts enkele seconden.
Deze eenvoudige structuren kunnen nuttig blijken te zijn als containers, misschien voor medicijnafgifte in het lichaam. Maar het zijn ook starre constructies die een startpunt kunnen zijn voor vele andere, complexere constructies. Om deze bouwstenen te laten assembleren tot complexere structuren, wendden de Oxford-onderzoekers zich opnieuw tot DNA. Ze verwerkten losse strengen in de structuren met sequenties die waren ontworpen om te koppelen aan losse strengen in naburige piramides.
Tot nu toe hebben ze deze techniek alleen gebruikt om piramideparen te vormen. Maar ze zeggen dat het mogelijk moet zijn om er nog veel meer aan elkaar te haken. Door de gebruikte reeksen te variëren en waar ze in de piramides worden geplaatst, zoals aan de randen of de punten, zeggen de onderzoekers dat hun piramides zichzelf in verschillende vormen kunnen assembleren. Ze hopen dat DNA gemakkelijk kan dienen als een steiger voor het rangschikken van andere materialen.
Het is een geweldige manier om een architectuur neer te zetten met in wezen atomaire precisie, zegt Turberfield, maar om een soort bruikbaar moleculair apparaat te maken, zul je vrijwel zeker andere dingen willen koppelen, bijvoorbeeld moleculaire elektronische componenten, aan steigers zoals dit om een compleet apparaat te maken. Dergelijke componenten kunnen nanodraden omvatten, wat zou kunnen leiden tot driedimensionale schakelingen, misschien voor dichte en krachtige computers. Ze kunnen ook biologische moleculen bevatten voor detectie of fluorescerende chemicaliën voor beeldvormingstoepassingen.
Het grootste voordeel van deze piramides is misschien wel hun aanvankelijke gebrek aan complexiteit. Patrick Doyle, een MIT-professor chemische technologie die de dynamiek van DNA bestudeert, zegt dat het ontwerp nogal elegant is.
In het verleden werden driedimensionale DNA-structuren gebouwd met een nauwgezette reeks stappen, en uiteindelijk werden er maar weinig exemplaren van gemaakt. Deze piramides, die worden gevormd met behulp van verwarming en vervolgens afkoeling van de DNA-strengen, hebben echter maar één stap nodig om te assembleren en produceren veel hogere opbrengsten.
Een van de voordelen van deze structuur is de extreme eenvoud en de zeer hoge opbrengst en snelheid van synthese, zegt Turberfield. Als je een bouwsteen wilt om veel andere dingen mee te maken, wil je niet zwoegen over de constructie van de bouwsteen - je wilt dat dat gemakkelijk is. Dan kun je doorgaan met de moeilijkere dingen, door het later te linken.