211service.com
Een lockbox gemaakt van DNA
Met behulp van niets anders dan DNA hebben onderzoekers in Denemarken een klein doosje geconstrueerd met een deksel dat kan worden gesloten of - met behulp van een set DNA-sleutels - kan worden geopend. Terwijl andere groepen hebben geëxperimenteerd met het gebruik van DNA-origami om driedimensionale objecten te bouwen, is de nieuwe doos, beschreven in de editie van deze week van Natuur , onderscheidt zich door zijn stevige zijkanten en bewegende delen.
Deoxyribose suikerklontjes: Omdat complementaire DNA-gebieden graag paren, konden onderzoekers een lange DNA-streng ontwerpen die, in combinatie met vele kleine DNA-nietjes, zichzelf automatisch zou samenvoegen tot een doos van nanoformaat. Deze techniek staat bekend als DNA-origami. Hier werden de dozen afgebeeld met behulp van cryo-elektronentomografie om hun kubusachtige structuren en holle binnenkant te bevestigen.
Het is een vrij mooie moleculaire structuur, zegt John Reif , een vooraanstaande professor in computerwetenschappen aan de Duke University, die niet betrokken was bij het onderzoek. Het is de eerste keer dat zo'n nanostructuur een programmeerbaar en bestuurbaar deksel had.
Voorlopig dient de doos als een principebewijs dat DNA-origami kan worden aangepast om uitgebreide driedimensionale structuren te maken, zegt Jørgen Kjems , een moleculair bioloog aan het Aarhus University Center for DNA Nanotechnology, die het onderzoek leidde. Maar in de toekomst gelooft hij dat de container van nanoformaat kan worden aangepast voor een breed scala aan toepassingen, van medicijnafgiftevoertuig tot logische poort.
DNA is een ideaal bouwmateriaal voor nanostructuren. Het is gemakkelijk om massaal te produceren: Kjems en zijn team hebben een virus gekaapt om kopieën te maken van de reeks die ze hebben ontworpen. En het vouwt op eenvoudige, voorspelbare manieren volgens zijn volgorde. Om de doos te ontwerpen, ontwikkelde het Aarhus-team een computerprogramma om een continue enkelstrengs DNA-sequentie te genereren die, samen met kleinere DNA-fragmenten die als nietjes fungeren, zichzelf in de gewenste vorm zou assembleren.
De sequentie was bedacht met veel complementaire regio's, zodat deze automatisch zou worden gevouwen tot zes ongeveer vierkante accordeonachtige vellen - de zijkanten van de doos - op basis van de natuurlijke neiging van DNA om tot dubbele strengen te paren. De DNA-nietjes, ook aangedreven door het koppelen van complementaire sequenties, hechtten de randen van de vellen aan elkaar om een holle kubus te vormen met een scharnierend deksel.
Om het deksel afsluitbaar te maken, maakten Kjems en zijn collega's twee kleine DNA-vergrendelingen met plakkerige uiteinden. Onder normale omstandigheden hechten de grendels zich aan de doos en houden deze gesloten. Maar wanneer de twee corresponderende DNA-sleutels worden toegevoegd, binden de grendels zich daaraan, waardoor het deksel open kan zwaaien. Een paar kleurstofmoleculen, een bevestigd aan de rand van de doos en een andere aan het deksel, gloeien rood als ze dicht bij elkaar staan en groen als ze ver uit elkaar staan, waardoor het een gemakkelijke manier is om te detecteren of een doos gesloten of open is.
Denk buiten de doos: De nanoboxen, hier in grijs gemodelleerd, kunnen op een dag medicijnen naar specifieke bestemmingen in het lichaam vervoeren of dienen als logische poorten in een op DNA gebaseerde computer. Het deksel van elke doos is normaal gesloten met twee paar complementaire DNA-fragmenten (blauw en oranje). Maar wanneer overeenkomstige DNA-sleutels (ook blauw en oranje) aan de mix worden toegevoegd, interfereren ze met de vergrendelingen en laten de deksels openzwaaien. Fluorescerende kleurstofmarkeringen lichten rood op wanneer een doos gesloten is en groen wanneer deze open is.
Met driedimensionale structuren zoals deze, is de echte uitdaging niet om het object te ontwerpen, maar om te bewijzen dat het met succes is gevormd, zegt Paul Rothemund , een computerwetenschapper aan het California Institute of Technology, die een eenvoudige techniek ontwikkelde om DNA-structuren te maken. De onderzoekers gebruikten verschillende beeldvormingsmethoden om ervoor te zorgen dat de dozen zichzelf volgens plan in elkaar zetten. Ze hebben heel overtuigend laten zien dat ze hebben gemaakt wat ze dachten te hebben gemaakt, wat erg belangrijk is, zegt Rothemund. En nu zijn ze vrij om te proberen het uit te werken en het daadwerkelijk iets te laten doen.
Kjems heeft verschillende ideeën voor wat de dozen zouden kunnen doen. Een mogelijkheid is om ze te laden met medicijnen en de deksels te programmeren om te openen als reactie op een biologisch signaal in het lichaam - bijvoorbeeld de aanwezigheid van een virus of een kankergen - waardoor hun therapeutische lading vrijkomt.
Er is een manier waarop ze interessanter zijn dan bijna elk ander nano-inkapselingsschema dat je voor dat doel kunt bedenken, omdat ze deze oneindig programmeerbare deksels hebben, zegt Rothemund. Dat is iets dat geen enkele andere capsule voor het toedienen van nanodrugs kan bieden.
Therapeutische toepassingen zijn echter nog ver weg. Hoewel de dozen in theorie stevig genoeg zijn om te voorkomen dat grote moleculen naar buiten lekken en ruim genoeg om een ribosoom of een klein virus in te sluiten, hebben de onderzoekers nog niet geprobeerd er iets in te stoppen. En tot nu toe functioneren de dozen alleen in een reageerbuis. In tegenstelling tot sommige andere voertuigen voor het afleveren van nanodeeltjes, is er nog geen bewijs voor de veiligheid of werkzaamheid van op DNA gebaseerde apparaten in levende systemen.
Maar de lockboxen hoeven geen lading te dragen om nuttig te zijn. Kjems wil er ook elektronische componenten van maken. Omdat ze twee verschillende sleutels hebben, fungeren de vakken als EN-poorten, die alleen openen (en groen oplichten) als beide sleutels aanwezig zijn. Met een paar eenvoudige aanpassingen kunnen ze ook dienen als NIET-poorten of OF-poorten. Met deze dozen zou je in principe een DNA-computer kunnen bouwen, zegt Kjems.