Ingenjörer har utvecklat en teknik som gör det möjligt för dem att exakt placera mikroskopiska enheter bildade av vikta DNA-molekyler på inte bara en specifik plats utan också i en specifik orientering.

Som ett proof-of-concept, de arrangerade fler än 3, 000 glödande månformade molekylära enheter i nanoskala till ett blomformat instrument för att indikera ljusets polarisering. Vart och ett av 12 kronblad pekade i olika riktningar runt blommans mitt, och inom varje kronblad var omkring 250 månar i linje med kronbladets riktning. Eftersom varje måne bara lyser när den träffas av polariserat ljus som matchar dess orientering, slutresultatet är en blomma vars kronblad lyser upp i sekvens när polarisationen av ljus som lyser på den roteras. Blomman, som spänner över ett avstånd som är mindre än ett människohårs bredd, visar att tusentals molekyler på ett tillförlitligt sätt kan orienteras på ytan av ett chip.

Denna metod för att exakt placera och orientera DNA-baserade molekylära enheter kan göra det möjligt att använda dessa molekylära enheter för att driva nya typer av chip som integrerar molekylära biosensorer med optik och elektronik för tillämpningar som DNA-sekvensering eller mätning av koncentrationer av tusentals proteiner vid en gång.

Forskningen, publicerad den 19 februari av tidskriften Vetenskap , bygger på mer än 15 års arbete av Caltechs Paul Rothemund (BS '94), forskningsprofessor i bioteknik, datavetenskap och matematiska vetenskaper, och beräknings- och nervsystem, och hans kollegor. Under 2006, Rothemund visade att DNA kunde styras till att vika sig till exakta former genom en teknik som kallas DNA-origami. År 2009, Rothemund och kollegor på IBM Research Almaden beskrev en teknik genom vilken DNA-origami kunde placeras på exakta platser på ytor. Att göra så, de använde en tryckprocess baserad på elektronstrålar och skapade "klibbiga" fläckar med samma storlek och form som origamin gjorde. Särskilt, de visade att origami-trianglar band exakt på platsen för triangulära klibbiga fläckar.

Nästa, Rothemund och Ashwin Gopinath, tidigare Caltech senior postdoktor och nu biträdande professor vid MIT, förfinade och utökade denna teknik för att visa att molekylära enheter konstruerade från DNA-origami på ett tillförlitligt sätt kunde integreras i större optiska enheter. "Den tekniska barriären har varit hur man reproducerbart organiserar ett stort antal molekylära enheter i rätt mönster på de typer av material som används för chips, säger Rothemund.

2016, Rothemund och Gopinath visade att triangulära origami som bär fluorescerande molekyler kunde användas för att reproducera en 65, 000-pixel version av Vincent van Goghs The Starry Night. I det arbetet, triangulär DNA-origami användes för att placera fluorescerande molekyler i bakteriestora optiska resonatorer; Den exakta placeringen av de fluorescerande molekylerna var avgörande eftersom en rörelse på bara 100 nanometer till vänster eller höger skulle dämpa eller göra pixeln ljusare med mer än fem gånger.

Men tekniken hade en akilleshäl:"Eftersom trianglarna var liksidiga och var fria att rotera och vända upp och ner, de kunde fästa platt på den triangulära klibbiga fläcken på ytan på något av sex olika sätt. Detta innebar att vi inte kunde använda några enheter som krävde en viss orientering för att fungera. Vi hade fastnat med enheter som skulle fungera lika bra när de pekade uppåt, ner, eller åt vilket håll som helst, " säger Gopinath. Molekylära enheter avsedda för DNA-sekvensering eller mätning av proteiner måste absolut landa med rätt sida upp, så lagets äldre tekniker skulle förstöra 50 procent av enheterna. För enheter som också kräver en unik rotationsorientering, som transistorer, endast 16 procent skulle fungera.

Det första problemet att lösa, sedan, var att få DNA-origami att tillförlitligt landa med rätt sida uppåt. "Det är lite som att garantera att rostat bröd alltid landar på magiskt sätt med smörsidan uppåt när det kastas på golvet, " säger Rothemund. Till forskarnas förvåning, beläggning av origami med en matta av flexibla DNA-strängar på ena sidan gjorde att mer än 95 procent av dem kunde landa med framsidan uppåt. Men problemet med att kontrollera rotationen kvarstod. Rätta trianglar med tre olika kantlängder var forskarnas första försök till en form som skulle kunna landa i den föredragna rotationen.

Dock, efter brottning för att få bara 40 procent av räta trianglar att peka i rätt riktning, Gopinath rekryterade datavetare Chris Thachuk från University of Washington, medförfattare till Science paper, och en tidigare Caltech postdoc; och David Kirkpatrick från University of British Columbia, också medförfattare till Vetenskap papper. Deras jobb var att hitta en form som bara skulle fastna i den avsedda orienteringen, oavsett vilken riktning den kunde landa i. Datavetarnas lösning var en skiva med ett hål utanför mitten, som forskarna kallade en "liten måne". Matematiska bevis antydde att, till skillnad från en rätvinklig triangel, små månar kunde rotera smidigt för att hitta den bästa anpassningen med sin klibbiga lapp utan att fastna. Labexperiment verifierade att över 98 procent av de små månarna hittade rätt orientering på sina klibbiga fläckar.

Teamet lade sedan till speciella fluorescerande molekyler som fastnar tätt in i DNA-spiralerna på de små månarna, vinkelrätt mot spiralernas axel. Detta säkerställde att de fluorescerande molekylerna i en måne alla var orienterade i samma riktning och skulle glöda starkast när de stimulerades med ljus av en viss polarisation. "Det är som om varje molekyl bär en liten antenn, som kan ta emot energi från ljus mest effektivt endast när polariseringen av ljus matchar antennens orientering, " säger Gopinath. Denna enkla effekt är vad som möjliggjorde konstruktionen av den polarisationskänsliga blomman.

Med robusta metoder för att kontrollera upp-och-ner- och rotationsorienteringen av DNA-origami, ett brett utbud av molekylära enheter kan nu integreras billigt i datorchips med hög avkastning för en mängd olika potentiella tillämpningar. Till exempel, Rothemund och Gopinath har grundat ett företag, Palamedrix, att kommersialisera tekniken för att bygga halvledarchips som möjliggör samtidiga studier av alla proteiner som är relevanta för människors hälsa. Caltech har lämnat in patentansökningar för verket.