De flesta människor är bekanta med DNA-dubbelhelixen. Dess tvinnade stegform bildas eftersom de långa bitarna av DNA som utgör vårt genom är exakt komplementära - varje adenin parat till en tymin och varje cytosin parat till en guanin. Sekvenser av dessa fyra nukleotider innehåller den information som behövs för att bygga proteinerna i våra kroppar, men de kodar också för sin egen dubbelspiralformade struktur.
Sedan 1980-talet har forskare dock kapat dessa parningsregler för att bygga andra strukturer än dubbla spiraler. Det här fältet kallas DNA-nanoteknologi, och dess mest populära implementering, DNA-origami, låter forskare vika DNA till vilken form som helst, vilket ger en kraftfull metod för att bygga enheter och maskiner i nanoskala.
DNA-origami innebär att man lägger en lång bit DNA, kallad en byggnadsställning, tillsammans med hundratals noggrant utvalda korta bitar av DNA, kallade häftklamrar, i ett provrör och låter dem vikas ihop till den designade strukturen.
Tekniken är anmärkningsvärt effektiv, med hela processen som sker i ett experimentellt steg. Trots den uppenbara enkelheten är processen komplex, och forskarna har inte en fullständig bild av vad som händer under vikning. Vanliga mikroskop har svårt att se DNA-origamistrukturer eftersom de är så små, och de som kan kräva att strukturerna fästs på en yta.
Ett sätt att försöka förstå denna process är genom datorsimuleringar, med ett tillvägagångssätt som kallas molekylär dynamik. Forskare har försökt använda dessa simuleringar tidigare för att förstå vad som händer när DNA-origamistrukturer viker sig. Men befintliga modeller tar hänsyn till varje enskild nukleotid och de resulterande rörelserna av den utvecklande strukturen över miljarder små tidssteg. Processen är beräkningskrävande, vilket begränsar storleken på strukturerna och tiden över vilken dynamiken kan simuleras.
För att komma runt detta hinder tar Gaurav Arya, professor i maskinteknik och materialvetenskap vid Duke University, och hans doktorand Marcello Deluca ett steg tillbaka.
Istället för att simulera varje enskild nukleotid utvecklade de en ny modell som gör att de kan fånga dynamiken i denna process samtidigt som de bara tar hänsyn till beteendet hos grupper om åtta nukleotider. Denna förenkling innebär att även om de fortfarande kan simulera strukturen för miljarder steg, kan vart och ett av dessa steg vara mycket större och varje steg är lättare att simulera.
Använder detta tillvägagångssätt i en artikel publicerad online den 8 april i Nature Communications , Arya och DeLuca har visat att de kan modellera dynamiken i att vika hundratals gånger för DNA-origami över 8 000 nukleotider i storlek. Det tidigare rekordet för en enstaka simulering var 770.
"Vår teknik saknar molekylära detaljer i befintliga modeller, men det är inte vad vi är ute efter här," sa Arya. "Vi är intresserade av den globala dynamiken hos hela komplexa strukturer när de sätts ihop själv."
Resultaten avslöjar redan många nya insikter om dynamiken i origamivikning. Till exempel fann studien att dessa strukturer börjar likna de slutliga, vikta strukturerna mycket tidigt i processen, men att det tar lång tid att kristallisera till sin slutliga form. Studien antydde också att ett fenomen som kallas foldningsmomentum, vilket är mycket viktigt vid proteinveckning, också kan vara på gång vid origamiveckning.
Arya och DeLuca säger att detta tillvägagångssätt så småningom kan hjälpa hundratals andra forskargrupper som arbetar inom detta område att optimera vikningen av sina strukturer. Genom att kunna simulera vikningsresultatet av en design många gånger under en kort period, kommer forskare att kunna förutsäga slutprodukten och göra förbättringar av deras design innan den någonsin måste köpas och vikas i labbet.
De påpekar också att denna modelleringsmetod kan hjälpa till att påskynda potentiella tillämpningar av DNA-origami, till exempel vid läkemedelsleverans, eftersom det ger en mer omfattande förståelse för vad som händer.
"DNA-origami-enheter kan designas för att automatiskt frigöra instängda molekyler när de exponeras för en viss miljö, som de lägre pH-nivåerna som finns inuti en tumör", säger DeLuca.
"Men en stor utmaning för att få något sådant godkänt är en tillräcklig förståelse för dessa enheter inklusive hur de fälls ihop och släpper sin last. Om vi kan måla upp en bättre bild kan det underlätta regulatoriska problem för dessa typer av terapier."
Mer information: Marcello DeLuca et al, Mechanism of DNA origamifolding belyst av mesoscopic simulations, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-46998-y
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Duke University
