Genom att använda en teknik som kallas DNA-origami, biofysikern Hendrik Dietz har byggt föremål i nanometerskala i flera år vid Münchens tekniska universitet (TUM). Nu, Dietz och hans team har inte bara brutit sig ur nanometersfären för att bygga större föremål, men har också sänkt produktionskostnaderna tusenfaldigt. Dessa innovationer öppnar en helt ny gräns för tekniken.

Virus kapslar in sitt genetiska material i ett skal som består av en serie identiska proteinbyggstenar. Hepatit B-viruskapseln, till exempel, omfattar 180 identiska underenheter, ett typiskt fall av "prefabricerad" konstruktion som används ofta i naturen.

Teamet ledd av Hendrik Dietz, Professor i biomolekylär nanoteknik vid TU München har nu överfört virala konstruktionsprinciper till DNA-origamiteknologi. Detta gör att de kan designa och bygga strukturer i skalan av virus och cellorganeller.

Tekniken bygger på en lång enkelsträng som är ansluten till en dubbelsträngad struktur med hjälp av korta häftsekvenser. "Den dubbelsträngade strukturen är energiskt tillräckligt stabil så att vi kan tvinga enkelsträngen till nästan vilken form som helst med hjälp av lämpligt valda motsvarigheter, " förklarar Hendrik Dietz. "På detta sätt kan vi exakt designa objekt i datorn som bara är några nanometer stora."

Kugghjul för nanomotorer

Dietz-labbet beordrar tekniker som tillåter dem att ytterligare modifiera och infoga kemiska funktioner i objekt genom att lägga till sidogrupper. Men, tills nu, storleken på föremålen förblev i nanometersfären. I den vetenskapliga tidskriften Natur , teamet beskriver nu hur större konstruktioner kan byggas med prefabricerade delar.

För detta ändamål, de skapade först V-formade nanoobjekt. Dessa har formkomplementära bindningsställen på sina sidor, så att de självständigt kan fästa sig vid varandra medan de flyter i en lösning. Beroende på öppningsvinkeln, de bildar "växlar" med kontrollerat antal ekrar.

"Vi var glada över att observera att, nästan utan undantag, ringar bildade som definieras av öppningsvinkeln, " säger Hendrik Dietz. "Avgörande för förmågan att bygga objekt av denna storlek och komplexitet är precisionen och styvheten hos de enskilda byggstenarna. Vi var tvungna att förstärka enskilda element med tvärbalkar, till exempel."

Konstruktion av mikrorör

För att ytterligare utnyttja konstruktionsprincipen, teamet skapade nya byggstenar som hade "limfogar" inte bara på sidorna, men även något svagare upptill och nedtill. Detta gör att "nano-växlarna" kan forma långa rör med hjälp av ytterligare dockningsplatser i ett andra steg.

"Vid längder av en mikrometer och en diameter på flera hundra nanometer, dessa rör har nått storleken på vissa bakterier, " förklarar Hendrik Dietz. "Och vi kan använda arkitekturen hos enskilda element för att bestämma egenskaper hos den övergripande strukturen."

Bygga polyedriska strukturer

Inspirerad av virusens symmetri och hierarkiska design, forskarna försökte också bygga slutna burstrukturer. "En potentiell framtida tillämpning av konstgjorda burar är transport av medicin i kroppen, " förklarar Hendrik Dietz. "Här, Målet är att släppa aktiva medel endast på specifika önskade platser, skonar resten av kroppen."

Genom att använda de principer som redan tillämpats på de strukturer som beskrivits tidigare, teamet konstruerade nu nya element som de hoppades skulle monteras på ett självbegränsande sätt till burstrukturer under rätt förhållanden. Enligt dessa strategier ger en triangulär mittsektion och tre V-formade element upphov till ett tredelat byggnadselement.

Beroende på V:s öppningsvinkel, ett definierat antal av dessa enheter går samman för att bilda tetraedriska, hexaedriska eller dodekaedriska strukturer i ett andra steg. De slutliga strukturerna integrerar upp till 1,8 miljoner adresserbara DNA-baspar på användardefinierade positioner. För första gången, dessa burar av diskret storlek uppnår molekylvikter och storlekar som är jämförbara med virus och små cellorganeller.

Kostnadseffektiv massproduktion

Hittills, tillverkningsprocesser har begränsat tillämpningsområdet till de som endast kräver små mängder material. Det faktum att endast ett fåtal mikrogram kan tillverkas med konventionella metoder utesluter många potentiella medicinska och materialvetenskapliga tillämpningar.

Flaskhalsen är de korta stapelsträngarna som måste framställas kemiskt bas för bas. Huvudsträngen som erhålls från bakteriofager, å andra sidan, kan produceras i stor skala med hjälp av biotekniska processer.

Det är därför laget som leds av Hendrik Dietz förfinade så kallade DNA-enzymer, en upptäckt som härrör från syntetisk bioteknik. Dessa är DNA-strängar som går isär på specifika positioner när de utsätts för en hög koncentration av zinkjoner.

De sammanfogade de korta stapelsekvenserna till en lång sträng med två modifierade DNA-enzymer vardera. "När de är exakt sammansatta med en specifik bassekvens, dessa kombinerade strängar kan reproduceras i en bioteknisk process, som med enkla strängar av bakteriofag-DNA, säger Dietz, förklarar processens nyckelfunktion.

Bioteknisk produktion i stor skala

Både huvudsträngen och sekundärsträngen, som omfattar DNA-enzymer och stapelsekvenser, framställdes framgångsrikt med hjälp av en hög celldensitetsprocess med bakterier. Processen är skalbar och därmed mottaglig för högvolymproduktion av huvudsträngar och häftklamrar. Genom att öka zinkjonkoncentrationen efter DNA-isolering frigörs de korta stapelsekvenserna, som sedan viker huvudsträngen till önskad form.

Omfattande undersökningar av reaktionsmekanismerna i samarbete med kollegor vid Institutet för biokemisk teknik visade att detta är möjligt även i stor skala. Vid TUM Research Centre for Industrial Biotechnology in Garching, forskare har nu producerat flera gram av fyra olika DNA-origamiobjekt. Att skala upp processen till en kubikmeterskala är nu inom räckhåll.

"Samspelet mellan bioteknik och processteknik har således gjort det möjligt att sätta en verkligt grundläggande milstolpe på vägen mot framtida tillämpningar inom DNA-nanoteknik, säger professor Dirk Weuster-Botz, Ordförande för Institutet för biokemisk teknik.