Under 2006, Caltechs Paul Rothemund (BS '94) - nu forskningsprofessor i bioingenjör, databehandling och matematiska vetenskaper, och beräkning och neurala system - utvecklat en metod för att vika en lång DNA -sträng till en föreskriven form. Tekniken, kallad DNA -origami, gjorde det möjligt för forskare att skapa självmonterande DNA-strukturer som kan bära ett visst mönster, som ett 100-nanometer brett smiley.

DNA origami revolutionerade området nanoteknik, öppna möjligheter att bygga små molekylära enheter eller "smarta" programmerbara material. Dock, vissa av dessa applikationer kräver mycket större DNA -origamistrukturer.

Nu, forskare i Lulu Qians laboratorium, biträdande professor i bioingenjör på Caltech, har utvecklat en billig metod genom vilken DNA-origami själv monteras i stora matriser med helt anpassningsbara mönster, skapa en sorts duk som kan visa vilken bild som helst. För att demonstrera detta, laget skapade världens minsta rekreation av Leonardo da Vincis Mona Lisa - av DNA.

Arbetet beskrivs i en artikel som publicerades i tidningen 7 december Natur .

Även om DNA kanske är mest känt för att koda den genetiska informationen om levande saker, molekylen är också en utmärkt kemisk byggsten. En enkelsträngad DNA-molekyl består av mindre molekyler som kallas nukleotider-förkortat A, T, C, och G - arrangerad i en sträng, eller sekvens. Nukleotiderna i en enkelsträngad DNA-molekyl kan binda till dem i en annan enkelsträng för att bilda dubbelsträngat DNA, men nukleotiderna binder bara på mycket specifika sätt:en A-nukleotid med en T- eller en C-nukleotid med en G. Dessa strikta basparning "regler" gör det möjligt att designa DNA-origami.

För att göra en enda kvadrat av DNA -origami, man behöver bara en lång enda DNA -sträng och många kortare enkelsträngar - kallade häftklamrar - utformade för att binda till flera angivna platser på den långa strängen. När de korta häftklamrarna och den långa strängen kombineras i ett provrör, häftklamrarna drar ihop delar av den långa strängen, får den att vika sig över till önskad form. En stor DNA -duk är monterad av många mindre fyrkantiga origamiplattor, som att sätta ihop ett pussel. Molekyler kan selektivt fästas på häftklamrarna för att skapa ett upphöjt mönster som kan ses med hjälp av atomkraftmikroskopi.

Caltech -teamet utvecklade programvara som kan ta en bild som Mona Lisa, dela upp det i små fyrkantiga sektioner, och bestäm DNA -sekvenserna som behövs för att bilda dessa rutor. Nästa, deras utmaning var att få dessa sektioner att självmontera till en överbyggnad som återskapar Mona Lisa.

"Vi kunde göra varje kakel med unika kantklammer så att de bara kunde binda till vissa andra plattor och självmontera till en unik position i överbyggnaden, "förklarar Grigory Tikhomirov, senior postdoktor och tidningens huvudförfattare, "men då skulle vi behöva ha hundratals unika kanter, vilket skulle vara inte bara mycket svårt att designa utan också extremt dyrt att syntetisera. Vi ville bara använda ett litet antal olika kantklammer men ändå få alla brickor på rätt ställen. "

Nyckeln till att göra detta var att montera plattorna i etapper, som att sätta ihop små områden i ett pussel och sedan sätta ihop dem för att skapa större områden innan de äntligen sätter ihop de större områdena för att göra det färdiga pusslet. Varje minipussel använder samma fyra kanter, men eftersom dessa pussel monteras separat, det finns ingen risk, till exempel, av en hörnplatta fäst i fel hörn. Teamet har kallat metoden "fraktal montering" eftersom samma uppsättning monteringsregler tillämpas i olika skalor.

"När vi har syntetiserat varje enskilt kakel, vi placerar var och en i sitt eget provrör för totalt 64 rör, säger Philip Petersen, en doktorand och medförst författare på tidningen. "Vi vet exakt vilka brickor i vilka rör, så vi vet hur vi kombinerar dem för att montera den slutliga produkten. Först, vi kombinerar innehållet i fyra rör tillsammans tills vi får 16 två-två-fyrkanter. Sedan kombineras de på ett visst sätt för att få fyra rör var och en med en fyr-till-fyra kvadrat. Och sedan kombineras de fyra sista rören för att skapa ett stort, åtta gånger åtta kvadrat består av 64 brickor. Vi utformar kanterna på varje kakel så att vi vet exakt hur de kommer att kombinera. "

Qian -lagets slutliga struktur var 64 gånger större än den ursprungliga DNA -origami -strukturen som designades av Rothemund 2006. Anmärkningsvärt är att tack vare återvinning av samma kantinteraktioner, antalet olika DNA -strängar som krävs för montering av denna DNA -överbyggnad var ungefär samma som för Rothemunds ursprungliga origami. Detta borde göra den nya metoden lika prisvärd, enligt Qian.

"Den hierarkiska karaktären av vårt tillvägagångssätt tillåter att endast använda en liten och konstant uppsättning unika byggstenar, i detta fall DNA -strängar med unika sekvenser, att bygga strukturer med ökande storlekar och, i princip, ett obegränsat antal olika målningar, "säger Tikhomirov." Detta ekonomiska tillvägagångssätt för att bygga mer med mindre liknar hur våra kroppar är byggda. Alla våra celler har samma genom och är byggda med samma uppsättning byggstenar, såsom aminosyror, kolhydrater, och lipider. Dock, via varierande genuttryck, varje cell använder samma byggstenar för att bygga olika maskiner, till exempel, muskelceller och celler i näthinnan. "

Teamet skapade också programvara för att göra det möjligt för forskare överallt att skapa DNA -nanostrukturer med hjälp av fraktalsammanställning.

"För att göra vår teknik lättillgänglig för andra forskare som är intresserade av att utforska applikationer med hjälp av platta DNA-nanostrukturer i mikrometer, vi utvecklade ett onlinemjukvaruverktyg som konverterar användarens önskade bild till DNA-strängar och våtlabbprotokoll, "säger Qian." Protokollet kan läsas direkt av en vätskehanteringsrobot för att automatiskt blanda DNA-strängarna. DNA -nanostrukturen kan monteras enkelt. "

Med hjälp av detta online-mjukvaruverktyg och automatiska vätsketeknik, flera andra mönster designades och monterades från DNA -strängar, inklusive ett porträtt av en bakterie i naturlig storlek och ett porträtt av en tupp i bakteriestorlek.

"Andra forskare har tidigare arbetat med att fästa olika molekyler som polymerer, proteiner, och nanopartiklar till mycket mindre DNA -dukar för att bygga elektroniska kretsar med små funktioner, tillverkar avancerade material, eller studera samspelet mellan kemikalier eller biomolekyler, "säger Petersen." Vårt arbete ger dem en ännu större duk att rita på. "