En origami-kanin, lavet af DNA

En origami-kanin, lavet af DNA

Forskere har udviklet en metode til at bygge små strukturer ud af DNA baseret på 3-D polygonale former skabt med en computer. DNA-'stilladset'-strengen er i hvidt, og DNA-'scaffold'-strengene er farvede. Billede udlånt af Björn Högberg

Den slikfarvede kanin ovenfor ser god nok ud til at spise, men det er ingen påskerest. Dette er en 3-D-printet model af en mikroskopisk, kaninformet struktur lavet udelukkende af DNA. Et forstørret billede af den lille struktur (som er 50 nanometer lang) vises længere nede. Kan du se dens bomuldshaleform?



I lidt over 30 år har forskere eksperimenteret med DNA for at bygge nanostrukturer, lige fra simple 2-D ark til mere komplekse former som oktaeder, stjerner og selv smiley ansigter .

'Det fantastiske er, at DNA både kan fungere som et informationslagermolekyle, men det kan også fungere som en lego-byggeklods,' siger Shawn Douglas, der arbejder med DNA-nanoteknologi på hans laboratorium ved University of California, San Francisco (han var ikke involveret i kaninarbejdet).

Mange af de egenskaber, der gør DNA nyttigt i naturen, passer faktisk til byggemateriale i nanoskala. For eksempel vil DNA-strenge selv samle sig i opløsning, takket være komplementær baseparring. Plus, nukleinsyren kan binde til andre molekyler, såsom proteiner, 'så den kan tjene som et stillads for komplekst nanomaskineri,' ifølge en 2010 artikel optræder i Natur . Med andre ord kan forskere sætte ting på DNA, der skræddersy det til bestemte opgaver.

Holdet skabte først et polygonnet af en kanin (venstre), og brugte derefter en computeralgoritme til at finde ud af, hvordan en enkelt DNA-streng kunne dirigeres, så den selv ville samle sig i den foreskrevne form ved hjælp af DNA-hæftning ” tråde. Resultatet var en 'rigtig' DNA-nanostruktur (til højre). Billede udlånt af Björn Högberg

Holdet, der skabte kaninen, brugte en DNA-manipulerende teknik kaldet DNA-origami, hvilket var første gang beskrevet i 2006 . I en nøddeskal går metoden ud på at folde et langt stykke enkeltstrenget DNA til en foruddesignet form ved hjælp af kortere strenge - kaldet 'hæfteklammer' - som binder sig til komplementære sekvenser på den længere streng og effektivt 'hæfter' den på plads.

Men forskerne tilføjede et twist til den tilgang, idet de lånte ideer fra både computergrafik og grafteori.

Indberetning i en nyere udgave af Natur , brugte de 3-D-software til først at skabe former kendt i CG-sprog som 'masker'. (Grundlæggende er et net en række polygoner, der er sat sammen for at danne en figur, der formidler tredimensionalitet. Billede a Swarovski krystal figur , og det er sådan set, hvordan bunny mesh ser ud. Se billedet ovenfor.)

Dernæst brugte de en algoritme til at finde ud af, hvordan en enkelt DNA-streng kunne dirigeres langs hver kant af nettet. For at udvikle algoritmen trak de på et matematisk koncept kendt som en Eulerisk kredsløb , som er et kredsløb, der kun rører hver kant på en flersidet form én gang.

Hvis algoritmen ikke kunne finde en rute, der ikke var blevet krydset, ved at scoute et givent mesh, fandt den ud af, hvilke kanter der skulle fordobles tilbage på, hvilket ville resultere i en minimal mængde overlapning. Når en hel rute var bestemt, fyldte softwaren den med sekvensen af ​​den valgte DNA-streng. (De brugte DNA fra en bakteriofag med en kendt sekvens.)

De sidste trin indebar at definere de 'nøgle' DNA-strenge, der ville holde den lange streng sammen i nøgleområder; at bestille disse strenge fra et DNA-syntesefirma; og smide den lange med den korte sammen i opløsning for at give dem mulighed for at samle sig selv.

Relateret artikel

Paper Tale: The Life Of An Origami Artist

Det, der blev til virkelighed, var 3-D nanostrukturer, der, når de blev set under mikroskop, faktisk lignede kaninnettet, samt flere andre former, som forskerne havde designet, inklusive en flaske og en vinkende stickman. (For god ordens skyld blev kaninen ikke valgt af indfald: Den er baseret på en eksperimentel model, der almindeligvis bruges til at teste computergrafikteknikker, kendt som ' Stanford kanin ,” for universitetet, hvor forskere først udviklede det. Selve modellen er baseret på en terracotta kanin.)

Nanostrukturformerne er 'mere oppustede og åbne' end tidligere, der er designet gennem DNA-origami, siger Björn Högberg, en forskningslektor ved Karolinska Institutet i Stockholm, Sverige, som forestod arbejdet. 'Det, folk havde gjort tidligere, var at lave 3D-strukturer, der var lidt mere som solide klodser,' siger han - det vil sige, at DNA-arrangementet hænger sammen ligesom Lincoln Logs, hvorimod disse nyere strukturer er mere som bure.

Den type DNA-konformation en forsker beslutter sig for at bruge i en nanostruktur 'afhænger af, hvilken type applikation du vil bruge origami-strukturerne til,' siger Högberg.

Mens kaninen et al. er mere proof-of-concept, er de potentielle anvendelser for DNA-nanostrukturer generelt mangfoldige. Högbergs team, for eksempel, undersøger cellulær kommunikation ved at binde proteiner i forskellige mønstre på DNA-origami-stilladser og udsætte dem for brystkræftceller. Og det er tænkeligt, at en DNA-nanostruktur et stykke ude i fremtiden kan indkapsle et lægemiddel, og ved at genkende et målcelleprotein i kroppen, frigive det.

DNA er en slags 'superstjernemolekyle,' siger Douglas. Der er meget mere, den kan, nu hvor kaninen er ude af hatten.