• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  • Icke-vattenhaltigt lösningsmedel stödjer DNA-nanoteknologi

    Georgia Tech postdoktorala forskare Isaac Gállego förbereder ett prov av DNA-nanostruktur för avbildning i ett atomkraftmikroskop. Kredit:Rob Felt

    Forskare runt om i världen använder programmerbarheten av DNA för att sätta samman komplexa strukturer i nanometerskala. Tills nu, dock, produktionen av dessa konstgjorda strukturer har begränsats till vattenbaserade miljöer, eftersom DNA naturligt fungerar i den vattniga miljön av levande celler.

    Forskare vid Georgia Institute of Technology har nu visat att de kan sätta ihop DNA-nanostrukturer i ett lösningsmedel som inte innehåller något vatten. De upptäckte också att tillsats av en liten mängd vatten till deras lösningsmedel ökar monteringshastigheten och ger ett nytt sätt att kontrollera processen. Lösningsmedlet kan också underlätta produktionen av mer komplexa strukturer genom att minska problemet med att DNA fastnar i oavsiktliga strukturer.

    Forskningen kan öppna upp nya tillämpningar för DNA-nanoteknik, och hjälpa till att tillämpa DNA-teknik för tillverkning av nanoskala halvledar- och plasmonstrukturer. Sponsrad av National Science Foundation och NASA, forskningen kommer att publiceras som omslagsartikel i volym 54, Nummer 23 av tidskriften Angewandte Chemie International Edition .

    "DNA nanoteknologiska strukturer blir mer och mer komplexa, och detta lösningsmedel kan hjälpa forskare som arbetar inom detta växande område, sa Nicholas Hud, professor vid Georgia Techs School of Chemistry and Biochemistry. "Med detta arbete, vi har visat att DNA-nanostrukturer kan sättas ihop i ett vattenfritt lösningsmedel, och att vi kan blanda vatten med samma lösningsmedel för att påskynda monteringen. Vi kan också ta strukturerna som monterades i detta lösningsmedel blandat med vatten – ta bort vattnet genom att applicera vakuum – och låta DNA-strukturerna förbli intakta i det vattenfria lösningsmedlet."

    Sammansättningshastigheten för DNA-nanostrukturer kan vara mycket långsam, och beror starkt på temperaturen. Att höja temperaturen ökar denna hastighet, men temperaturer som är för höga kan få DNA-strukturerna att falla isär. Lösningsmedelssystemet som utvecklats vid Georgia Tech tillför en ny nivå av kontroll över DNA-sammansättning. DNA-strukturer samlas vid lägre temperaturer i detta lösningsmedel, och tillsats av vatten kan justera lösningsmedlets viskositet, vilket möjliggör snabbare montering jämfört med den vattenfria versionen av lösningsmedlet.

    "Det här lösningsmedlet ändrar reglerna, sa Isaac Gállego, en postdoktor i Huds labb och tidningens första författare. "Vi har nu ett verktyg som kontrollerar DNA-sammansättningskinetik och termodynamik allt i ett lösningsmedel. Detta lösningsmedel erbjuder också förbättrade egenskaper för nanoteknik och för stabiliteten hos dessa nanomaterial i lösning."

    Gállego hade arbetat med DNA-nanoteknik innan han kom till Georgia Tech, och var övertygad om att alternativa lösningsmedel kunde främja detta område. På Georgia Tech utvärderade han nya lösningsmedel för användning med DNA-nanostrukturer, lösningsmedel som hade utformats för andra ändamål. Ett lösningsmedel han testade, kallas glykolin som är en blandning av glycerol och kolinklorid, tillät en tvådimensionell DNA-origamistruktur att monteras på sex dagar vid en temperatur på 20 grader Celsius.

    Inte nog med att glykolinen satte ihop DNA-strukturen vid en relativt låg temperatur, men det undvek också "kinetiska fällor, "mellanstrukturer som är stabila, men inte den önskade strukturen, sa Gállego. Strukturer som misslyckas med att monteras helt är en viktig källa till låga utbyten i DNA-nanotillverkningsprocessen.

    "Det här lösningsmedlet kan ge ett nytt verktyg för att göra mer komplicerade konstruktioner med DNA eftersom du kan undvika att fånga dessa komplexa strukturer i mellansteg, ", tillade han. "Kinetiska fällor är bland flaskhalsarna för att producera mer komplicerade DNA-nanostrukturer."

    Glykolin är blandbart med vatten, så det kan blandas i valfritt förhållande med vatten för att kontrollera kinetiken i monteringsprocessen. Till exempel, en struktur som monteras på sex dagar i rent lösningsmedel kommer att monteras på tre timmar i en glykolinlösning som innehåller 10 procent vatten. En nyckelfunktion i det nya lösningsmedelssystemet är att det inte kräver förändringar av befintliga DNA-nanoteknikdesigner som utvecklats för vatten.

    "Du kan gå fram och tillbaka mellan hydratiserade och icke-hydrerade tillstånd, ", sa Gállego. "Detta lösningsmedelssystem bevarar DNA-strukturerna som har utvecklats för att fungera i vatten."

    Lösningsmedelssystemet skulle kunna förbättra den kombinerade användningen av metalliska nanopartiklar och DNA-baserade material. I de typiska vattenhaltiga lösningsmedel där DNA-nanoteknik utförs, nanopartiklar är benägna att aggregeras. Lösningsmedlets låga flyktighet kan också tillåta lagring av sammansatta DNA-strukturer utan oro för att ett vattenbaserat medium skulle torka ut.

    Forskargruppen, som också inkluderade Martha Grover från Georgia Tech's School of Chemical &Biomolecular Engineering, har hittills använt lösningsmedlet för att montera tre strukturer, inklusive två DNA-origamistrukturer. I framtida arbete, de hoppas kunna använda kontrollen som tillhandahålls av vattenfria lösningsmedel för att erhålla dynamiska DNA-strukturella omarrangemang som inte är möjliga i vatten, och undersöka andra lösningsmedel som kan ha ytterligare egenskaper som är attraktiva för nanotekniktillämpningar.

    "Vi var hela tiden övertygade om att vi skulle hitta ett lösningsmedel som skulle vara kompatibelt med befintlig DNA-nanoteknik, " lade Hud till, som också är chef för NSF-NASA Center for Chemical Evolution och biträdande direktör för Parker H. Petit Institute of Bioengineering and Bioscience, båda på Georgia Tech. "Vad som var överraskande var att hitta ett lösningsmedel som möjliggör montering av strukturer lättare än i vatten. Det var helt oväntat eftersom DNA-nanoteknik utvecklades i vatten."

    Forskningen om vattenfria lösningsmedel växte fram ur Georgia Tech forskning om livets ursprung. Hud och kollegor hade undrat om de molekyler som var nödvändiga för livet, till exempel DNA:s förfader, kunde ha utvecklats i en vattenfri lösning. I vissa fall, han noterade, den kemi som krävs för att göra livets molekyler skulle vara mycket lättare utan vatten.

    "Detta arbete var inspirerat av forskning om livets ursprung med den grundläggande frågan om komplexa DNA-strukturer kunde existera i icke-vattenhaltiga lösningsmedel, och vi visade att de kan, ", sa Hud. "Och det vi har funnit att arbeta med dessa nya lösningsmedel kan hjälpa till att svara på några frågor om livets ursprung, samtidigt som de har tillämpningar inom nanoteknik."


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com