Forskare vid MIT och Arizona State University har designat ett datorprogram som gör det möjligt för användare att översätta alla ritningar i fri form till en tvådimensionell, nanoskala struktur gjord av DNA.

Tills nu, att utforma sådana strukturer har krävt teknisk expertis som gör processen utom räckhåll för de flesta. Med det nya programmet, vem som helst kan skapa en DNA-nanostruktur av vilken form som helst, för tillämpningar inom cellbiologi, fotonik, och kvantavkänning och beräkning, bland många andra.

"Vad detta arbete gör är att låta vem som helst bokstavligen rita vilken 2-D-form som helst och omvandla den till DNA-origami automatiskt, " säger Mark Bathe, en docent i biologisk teknik vid MIT och seniorförfattaren till studien.

Forskarna publicerade sina resultat i numret 4 januari av Vetenskapens framsteg , och programmet, kallas PERDIX, finns tillgänglig online. Huvudförfattarna av tidningen är Hyungmin Jun, en MIT postdoc, och Fei Zhang, en biträdande forskningsprofessor vid Arizona State University. Andra författare är MIT forskningsassistent Tyson Shepherd, senaste MIT Ph.D. mottagare Sakul Ratanalert, ASU biträdande forskare Xiaodong Qi, och ASU-professor Hao Yan.

Automatiserad design

DNA origami, vetenskapen om att vika DNA till små strukturer, uppstod i början av 1980-talet, när Ned Seeman från New York University föreslog att utnyttja DNA:s basparningsförmåga för att skapa godtyckliga molekylära arrangemang. Under 2006, Paul Rothemund från Caltech skapade den första ställningen, tvådimensionella DNA-strukturer, genom att väva en lång enkel DNA-sträng (ställningen) genom formen så att DNA-strängar kända som "häftklammer" skulle hybridisera till den för att hjälpa den övergripande strukturen att behålla sin form.

Andra använde senare ett liknande tillvägagångssätt för att skapa komplexa tredimensionella DNA-strukturer. Dock, alla dessa ansträngningar krävde komplicerad manuell design för att leda ställningen genom hela strukturen och för att generera sekvenserna av häftklammersträngarna. 2016, Bathe och hans kollegor utvecklade ett sätt att automatisera processen att generera en 3D-polyhedral DNA-struktur, och i denna nya studie, de satte sig för att automatisera designen av godtyckliga 2-D DNA-strukturer.

För att uppnå det, de utvecklade ett nytt matematiskt tillvägagångssätt för processen att leda den enkelsträngade ställningen genom hela strukturen för att bilda den korrekta formen. Det resulterande datorprogrammet kan ta vilken friformsritning som helst och översätta den till DNA-sekvensen för att skapa den formen och till sekvenserna för stapelsträngarna.

Formen kan skissas i valfritt datorritprogram och sedan konverteras till en datorstödd design (CAD)-fil, som matas in i DNA-designprogrammet. "När du har den filen, allt är automatiskt, ungefär som att skriva ut, men här är bläcket DNA, " säger Bada.

Efter att sekvenserna har genererats, användaren kan beställa dem att enkelt tillverka den specificerade formen. I det här pappret, forskarna skapade former där alla kanter består av två duplex av DNA, men de har också ett fungerande program som kan använda sex duplex per kant, som är styvare. Motsvarande mjukvaruverktyg för 3D-polyedrar, kallas TALOS, finns tillgänglig online och kommer snart att publiceras i tidskriften ACS Nano. Formerna, som sträcker sig från 10 till 100 nanometer i storlek, kan förbli stabila i veckor eller månader, suspenderad i en buffertlösning.

"Det faktum att vi kan designa och tillverka dessa på ett mycket enkelt sätt hjälper till att lösa en stor flaskhals inom vårt område, "Bathe säger." Nu kan fältet övergå till att mycket bredare grupper av människor inom industrin och akademin kan funktionalisera DNA -strukturer och distribuera dem för olika applikationer. "

Nanoskala mönster

Eftersom forskarna har så exakt kontroll över strukturen hos de syntetiska DNA -partiklarna, de kan fästa en mängd andra molekyler på specifika platser. Detta kan vara användbart för att malla antigener i nanoskalamönster för att belysa hur immunceller känner igen och aktiveras av specifika arrangemang av antigener som finns på virus och bakterier.

"Hur mönster av antigener i nanoskala känns igen av immunceller är ett mycket dåligt förstått område av immunologi, "Bathe säger. "Att fästa antigener på strukturerade DNA-ytor för att visa dem i organiserade mönster är ett kraftfullt sätt att undersöka den biologin."

En annan viktig applikation är att designa ljusupptagningskretsar som efterliknar de fotosyntetiska komplex som finns i växter. För att uppnå det, forskarna fäster ljuskänsliga färgämnen som kallas kromoforer på DNA-ställningar. Förutom att skörda ljus, sådana kretsar skulle också kunna användas för att utföra kvantavkänning och rudimentära beräkningar. Om det lyckas, dessa skulle vara de första kvantberäkningskretsarna som kan arbeta vid rumstemperatur, säger Bada.