Under de senaste decennierna har forskare har inspirerats av livets plan, DNA, som formen på saker som kommer för nanoteknik.

Detta växande fält kallas DNA origami. Forskare lånade sitt namn från papperskonstnärerna som trollar fram fåglar, blommor och plan från fantasifullt veckning av ett enda pappersark.

Liknande, DNA-origamiforskare drömmer om olika former-i en skala tusen gånger mindre än ett människohår-som de hoppas kommer att revolutionera datorer en dag, elektronik och medicin.

Nu, ett team av forskare i Arizona State och Harvard har uppfunnit ett stort nytt framsteg inom DNA -nanoteknik. Dubbad "enkelsträngad origami, "deras nya strategi använder en lång, tunn nudelliknande DNA-sträng, eller dess kemiska kusin RNA, som kan vikas själv--utan att ens en knut-till den största, mest komplexa strukturer hittills.

Och, strängarna som bildar dessa strukturer kan tillverkas inuti levande celler eller använda enzymer i ett provrör, tillåter forskare möjligheten att plug-and-play med nya design och funktioner för nanomedicin-som små, nanoboter spelar läkare och levererar läkemedel i celler till skadestället.

"Jag tycker att det här är ett spännande genombrott, och ett bra tillfälle för syntetisk biologi också, "sa Hao Yan, en uppfinnare av tekniken, chef för ASU Biodesign Institutes Center for Molecular Design and Biomimetics, och Milton Glick -professorn vid School of Molecular Sciences.

"Vi inspireras alltid av naturens konstruktioner för att göra informationsbärande molekyler som kan fällas ihop till de nanoskala former vi vill göra, "

Som bevis på konceptet, de har skjutit kuvertet för att göra Emoji-liknande smiley-ansikten, hjärtan, triangelformer —- totalt 18 former—- som väsentligt utökar designstudioutrymmet och materialskalbarhet för s.k. "bottom-up" nanoteknik.

Storlek spelar roll

Hittills, DNA -nanoteknikforskare har varit tvungna att förlita sig på två huvudmetoder för att skapa rumsligt adresserbara strukturer med ändliga dimensioner.

Den första var molekylära tegelstenar, små, korta bitar av DNA som kan vikas ihop till en enda struktur. Den andra metoden var byggnads -DNA, där en enda sträng formas till en struktur med hjälp av hjälpsträngar av DNA, som häftar strukturen på plats.

"Dessa två metoder är inte särskilt skalbara när det gäller syntes, "sa Fei Zhang, en medförfattare på tidningen. "När du har så många korta bitar av DNA, du kan inte replikera det med biologiska system. En väg runt detta är att konstruera en lång sträng som kan fälla sig in i vilken design eller arkitektur som helst. "

Vidare, varje metod har varit begränsad eftersom eftersom storleken på strukturen ökar, förmågan att vika korrekt blir mer utmanande.

Nu, det finns ett nytt tredje sätt.

För att Yan och hans team ska få sitt genombrott, de var tvungna att gå tillbaka till ritbordet, vilket innebar att titta på naturen igen för inspiration. De hittade det de letade efter med en kemisk kusin av DNA, i form av komplex, RNA -strukturer.

De komplexa RNA-strukturer som hittills hittats innehåller enkelsträngade RNA-molekyler som självviktar till strukturer utan topologiska knutar. Kan detta trick fungera igen för enkelsträngat DNA eller RNA-origami?

De kunde knäcka koden för hur RNA gör strukturer för att utveckla en fullt programmerbar enkelsträngad origami-arkitektur.

"Den viktigaste innovationen i vår studie är att använda DNA och RNA för att konstruera en strukturellt komplex men knutfri struktur som kan vikas smidigt från en enda sträng, "Sa Yan." Detta gav oss en designstrategi som gjorde att vi kunde lägga ihop en lång sträng till komplex arkitektur. "

"Med hjälp av en datavetare i teamet, vi kan också kodifiera designprocessen som en matematiskt rigorös formell algoritm och automatisera designen genom att utveckla ett användarvänligt mjukvaruverktyg, "sa Yan.

Algoritmen och programvaran validerades genom den automatiska designen och experimentella konstruktionen av sex distinkta DNA ssOrigami -strukturer (fyra romber och två hjärtformer).

Form och funktion

Det är en sak att göra listiga mönster och smiley -ansikten med DNA, men kritiker av DNA -origami har undrat när de praktiska tillämpningarna skulle komma till stånd.

Nu, dessa är möjliga. "Jag tror att vi är mycket närmare verkliga praktiska tillämpningar av tekniken, "sa Yan." Vi tittar aktivt på de första nanomedicinapplikationerna med vår ssOrigami -teknik. "

De kunde också visa att en vikad ssOrigami -struktur kan smältas och användas som en mall för amplifiering genom DNA -kopiering av enzymer i ett provrör och att ssOrigami -strängen kan replikeras och amplifieras via klonal produktion i levande celler.

"Ensträngade DNA-nanostrukturer som bildas via självfällning ger större potential att förstärkas, replikerbar, och klonbar, och därmed möjligheten till kostnadseffektiva, storskalig produktion med hjälp av enzymatisk och biologisk replikation, liksom möjligheten att använda in vitro -evolution för att producera sofistikerade fenotyper och funktioner, "sa Yan.

Samma designregler kan användas för DNA:s kemiska kusin, RNA.

En viktig designfunktion för enkelsträngad origami (ssOrigami) är att strängen kan göras och kopieras i laboratoriet och i levande celler och sedan vikas in i designstrukturer genom uppvärmning och kylning av DNA.

För att göra det inuti labbet, de använde kopimaskinen för kloningssekvenser, kallas PCR, för att replikera och producera ssDNA.

Inuti levande celler, de placerade den först inuti en mula av molekylär kloning, kallas en plasmid, efter att den placerats i en vanlig labbakterie som kallas E. coli -celler. När de behandlade bakterierna med enzymer för att frigöra ssDNA, de kunde isolera det, och vik sedan in den i sin målstruktur.

"Eftersom plasmid -DNA enkelt kan replikeras i E. coli, produktionen kan skalas upp genom att odla en stor mängd E. coli -celler till låg kostnad, "sa Yan. Detta tar sig ur tvånget att behöva syntetisera allt DNA i labbet från grunden, vilket är mycket dyrare.

Det flyttar dem också i en riktning nu, där de potentiellt kan göra strukturerna inuti cellerna.

"Här visar vi bakterier för att göra strängen, men måste fortfarande göra termisk glödgning utanför bakterierna för att bilda strukturen, "sa Yan." Den idealiska situationen skulle vara att designa en RNA -sekvens som kan transkriberas inuti bakterierna, och vik in i bakterierna så att vi kan använda bakterier som en nanofabrik för att producera materialet. "

Här, de demonstrerade ett ramverk för att designa och syntetisera en enda DNA- eller RNA-sträng för att effektivt självvika till en oknuten kompakt ssOrigami-struktur som närmar sig alla godtyckliga användarföreskrivna målformar.

"Dess enkelsträngning möjliggjorde demonstration av lätt replikering av strängen in vitro och i levande celler, och dess programmerbarhet tillät oss att kodifiera designprocessen och utveckla ett enkelt webbaserat automatiserat designverktyg. "

En ny designskola

I programvaran (se http://dna.kwonan.com/), genom ett samarbete med BioNano Research Group, Autodesk Research, först, användaren väljer en målform, som omvandlas till pixelerad representation. Användaren kan ladda upp en 2D -bild eller rita en form med en 2D -pixeldesignredigerare.

Användaren kan valfritt lägga till DNA -hårnålar eller öglor, som kan fungera som ytmarkörer eller handtag för att fästa externa enheter. Pixlarna omvandlas till DNA -spiralformade domäner och låsningsdomäner för att göra vikningen. Programvaran genererar sedan ssOrigami -strukturer och sekvenser, och användaren kan se molekylstrukturen via en inbäddad molekylär betraktare. Till sist, DNA -sekvensen tilldelas cykelsträngen, och den förväntade vikta strukturen tillverkad i laboratoriet och visuellt bekräftad genom att titta på den under ett kraftfullt mikroskop som är nanoteknologins ögon, atomkraftsmikroskopi, eller AFM.

"Vi har verkligen skalat upp komplexiteten samtidigt som vi har minskat kostnaderna, "sa Yan." Denna studie utökar avsevärt designutrymmet och skalbarheten för nanoteknik bottom-up, och öppnar dörren för hälsoprogram. "