211service.com
Nanoconstructie met gebogen DNA
DNA-nanotechnologie gebruikt de unieke fysieke eigenschappen van DNA-moleculen om structuren op nanoschaal te ontwerpen en te creëren, in de hoop op een dag kleine machines te creëren die samenwerken, net als de delen van een cel. Maar een van de uitdagingen van het veld is om manieren te vinden om DNA-structuren met hoge precisie te ontwerpen en te engineeren. Een recente studie gepubliceerd in Wetenschap markeert een doorbraak in het vermogen van onderzoekers om DNA vorm te geven; het beschrijft een manier om driedimensionale DNA-vormen te bouwen met uitgebreide wendingen en rondingen met ongekende precisie, ontwikkeld door wetenschappers van Harvard en de Technische Universiteit van München in Duitsland.
Vaste versnelling: Een nieuwe methode voor het ontwerpen van driedimensionale vormen uit DNA maakt het mogelijk om gebogen onderdelen te maken, waaronder dit tandwiel op nanoschaal met twaalf tanden.
Hao Yan , een professor in de biochemie aan de Arizona State University die niet bij het onderzoek betrokken was, zegt dat het werk een belangrijk niveau van controle over eerdere methoden toevoegt. Ik denk dat we kunnen zeggen dat het mogelijk is om elke vorm van architectuur te creëren met behulp van DNA, zegt hij.
Een belangrijk voordeel van het gebruik van DNA als constructiemateriaal is dat het programmeerbaar is. DNA-moleculen bestaan uit reeksen van gekoppelde nucleotidebasen van vier typen: A, T, G en C. Deze basen kleven aan de basen op een andere DNA-streng volgens een eenvoudige regel: A paren met T en C paren met G. Door te creëren DNA-sequenties met complementaire basen op verschillende strengen, het is daarom mogelijk om DNA-moleculen te ontwerpen die zichzelf volgens voorspelbare regels in bepaalde vormen assembleren.
Eerder werk gebruikte een methode genaamd DNA-origami om tweedimensionale vormen van DNA te ontwerpen; verdere studies hebben voortgebouwd op deze benadering om vormen in drie dimensies te creëren. DNA-origami gebruikt één zeer lange DNA-streng, de scaffold genaamd, en honderden kortere strengen, nietjes genoemd. De nietjes binden zich op bepaalde plaatsen aan de steiger op basis van hun volgorde, knijpen de steiger en dwingen hem om vele malen terug te gaan om een blad in een bepaalde vorm te creëren.
De Wetenschap studie breidt het werk van hetzelfde team van onderzoekers uit, waarbij de DNA-origami-methode wordt aangepast om complexere driedimensionale vormen te creëren. Eerder ontwierp het team DNA om helices te vormen die zijn gebundeld door verknoopte stapelstrengen in een honingraatachtig rooster. In het huidige onderzoek hebben de onderzoekers bochten en wendingen in deze vormen geïntroduceerd door bases op bepaalde punten in de steiger toe te voegen of te verwijderen, de lokale krachten die de helices op elkaar uitoefenen te veranderen en de hele structuur te dwingen naar rechts of links te buigen. Ze ontdekten dat ze de mate van kromming met grote precisie konden regelen, waarbij ze scherpe bochten bereikten die vergelijkbaar waren met die van het strak gewonden DNA dat in cellen wordt aangetroffen.
De onderzoekers creëerden objecten zoals tandwielen op nanoschaal, een draadvormige strandbalvormige capsule en driehoeken met concave of convexe zijden. Shawn Douglas , een co-auteur aan de Harvard University, ontwikkelde een openbaar computerondersteund ontwerpprogramma dat kan dienen als een visuele interface voor het ontwerpen van de DNA-vormen.
Buigbare moleculen: Een bundel DNA-helices (bovenste rij) kan onder precieze hoeken worden gebogen (de andere rijen) door basenparen in de DNA-sequentie in te voeren of te verwijderen.
William Shiho , een co-auteur van de studie en assistent-professor biologische chemie en moleculaire farmacologie Harvard Medical School, zegt dat het vermogen om gebogen structuren te maken een belangrijk element toevoegt aan de DNA-nanowetenschappelijke toolbox. Hij wijst erop dat objecten als ringen, veren en tandwielen belangrijk zijn voor machines op macroschaal, terwijl cellen ook elementen met gebogen delen bevatten, wat suggereert dat deze eigenschappen belangrijk zijn op nanoschaal. Als we deze algemene bouwcapaciteit niet hadden, zouden we gehandicapt zijn in ons vermogen om nuttige apparaten te bouwen, zegt hij.
Chengde Mao , een universitair hoofddocent analytische chemie aan de Purdue University, noemt de prestatie verrassend en zegt dat zijn eigen laboratorium heeft geprobeerd soortgelijke structuren te maken en is mislukt. Hij zegt niet alleen dat het werk laat zien dat DNA in extreme mate kan worden gedraaid en gebogen, maar dat een van de leuke dingen is dat het een echt vloeiende curve is, terwijl andere pogingen hebben geresulteerd in vormen die gepixeld zijn.
De praktische toepassingen van de techniek zijn nog onduidelijk, maar er zijn veel mogelijkheden. Aangezien de DNA-vormen beschreven in de Wetenschap papier zo groot is als een gemiddeld virus, zegt Shih dat ze misschien ontworpen kunnen worden om een cel binnen te dringen als een virus om een medicijn vrij te geven. DNA-onderdelen kunnen ook worden gebruikt om moleculaire elektronica te ontwerpen, wat op een dag een nieuw niveau van miniaturisatie voor snellere computers zou kunnen bieden.
Yan zegt dat de studie bijdraagt aan de indrukwekkende mogelijkheden van DNA, maar voegt eraan toe dat wetenschappers deze structuren verder moeten bestuderen om te zien hoe stabiel ze zijn en hoe goed ze het in de loop van de tijd volhouden.