några som inte är större än virus – har konstruerats genom en revolutionerande teknik som kallas DNA-origami. Nu, Hao Yan, Yan Liu och deras kollegor vid Arizona State Universitys Biodesign Institute har utökat förmågan hos denna metod för att konstruera godtyckliga, två- och tredimensionella former, efterliknar de som vanligtvis finns i naturen.

Sådana diminutiva former kan i slutändan hitta vägen till ett brett spektrum av enheter, från ultrasmå datorkomponenter till nanomediska vaktposter som används för att rikta in sig på och förstöra avvikande celler eller leverera terapi på cellulär eller till och med molekylär nivå.

I dagens nummer av Science, Yan-gruppen beskriver ett tillvägagångssätt som utnyttjar (och utökar) DNA:s arkitektoniska potential. Den nya metoden är ett viktigt steg i riktning mot att bygga strukturer i nanoskala med komplex krökning - en bedrift som har undgått konventionella DNA-origamimetoder. "Vi är intresserade av att utveckla en strategi för att reproducera naturens komplexa former, " sa Yan.

Tekniken med DNA-origami introducerades 2006 av datavetaren Paul W.K. Rothemund från Caltech. Det förlitar sig på de självmonterande egenskaperna hos DNA:s fyra komplementära baspar, som fäster samman strängarna i molekylens berömda dubbelhelix. När dessa nukleotider, märkt A, T, C, och G, påverka varandra, de förenas med varandra enligt en enkel formel - A parar alltid med T och
C med G.

Nanodesigners som Yan behandlar DNA-molekylen som ett mångsidigt konstruktionsmaterial – ett de hoppas kunna låna från naturen och anpassa för nya ändamål. I traditionell DNA-origami, en tvådimensionell form konceptualiseras och ritas först. Denna polygonala kontur fylls sedan i med korta segment av dubbelsträngat DNA, anordnade parallellt. Dessa segment kan liknas vid pixlar – digitala element som används för att skapa ord och bilder som visas på en datorskärm.

Verkligen, Rothemund och andra kunde använda pixelliknande segment av DNA för att komponera en mängd eleganta 2-dimensionella former, (stjärnor, romboider, snöflingor bildas, Smilisar, enkla ord och till och med kartor), samt några rudimentära 3-dimensionella strukturer. Var och en av dessa förlitar sig på de enkla reglerna för självmontering som styr nukleotidbasparing.

När den önskade formen har ramats in av en längd enkelsträngat DNA, korta DNA "stapelsträngar" integrerar strukturen och fungerar som limmet för att hålla ihop den önskade formen. Nukleotidsekvensen för ställningssträngen är sammansatt på ett sådant sätt att den löper genom varje helix i designen, som en serpentintråd som stickar ihop ett lapptäcke av tyg. Ytterligare förstärkning tillhandahålls av klammersträngarna, som också är fördesignade för att fästa på önskade områden i den färdiga strukturen, genom basparning.

"För att göra böjda föremål krävs att man rör sig bortom approximationen av krökning med rektangulära pixlar. Människor i fältet är intresserade av det här problemet. Till exempel, William Shihs grupp vid Harvard Medical School använde nyligen riktad infogning och radering av baspar i utvalda segment inom ett 3D-byggblock för att inducera den önskade krökningen. Ändå, det förblir en skrämmande uppgift att konstruera subtila krökningar på en 3D-yta, " sa Yan.

"Vårt mål är att utveckla designprinciper som gör det möjligt för forskare att modellera godtyckliga 3D-former med kontroll över graden av ytkrökning. I en flykt från en stel gittermodell, vår mångsidiga strategi börjar med att definiera de önskade ytegenskaperna för ett målobjekt med ställningen, följt av manipulation av DNA-konformation och formning av crossover-nätverk för att uppnå designen, " sa Liu.

För att uppnå denna idé, Yans doktorand Dongran Han började med att göra enkla 2-dimensionella koncentriska ringstrukturer, varje ring bildad av en dubbelspiral med DNA. De koncentriska ringarna är sammanbundna med hjälp av strategiskt placerade korsningspunkter. Dessa är områden där en av strängarna i en given dubbelhelix växlar till en intilliggande ring, överbrygga gapet mellan koncentriska helixar. Sådana korsningar hjälper till att upprätthålla strukturen hos koncentriska ringar, hindrar DNA från att förlängas.

Genom att variera antalet nukleotider mellan korsningspunkter och placeringen av korsningar kan designern kombinera skarpa och rundade element i en enda 2D-form, som kan ses i figur 1 a och b, (med tillhörande bilder producerade med atomkraftsmikroskopi, avslöjar de faktiska strukturerna som bildades genom självmontering). En mängd olika 2D-designer, inklusive en öppnad 9-lagers ring och en treuddig stjärna, producerades.

Nätverket av korsningspunkter kan också utformas på ett sådant sätt att det producerar kombinationer av kurvatur i planet och utanför planet, möjliggör design av böjda 3D nanostrukturer. Även om denna metod visar avsevärd mångsidighet, krökningsintervallet är fortfarande begränsat för standard B-form DNA, som inte kommer att tolerera stora avvikelser från sin föredragna konfiguration—10,5 baspar/varv. Dock, som Jeanette Nangreave, en av tidningens medförfattare förklarar, "Hao insåg att om du kunde vrida dessa spiraler lite för mycket eller undervridning, du kan producera olika böjningsvinklar."

Att kombinera metoden med koncentriska helixar med sådant icke-B-form DNA (med 9-12 baspar/varv), gjorde det möjligt för gruppen att producera sofistikerade former, inklusive sfärer, hemisfärer, ellipsoida skal och slutligen - som en tour de force av nanodesign - en rundbottnad nanoflaska, som framträder omisskännligt i en serie häpnadsväckande transmissionselektronmikroskopbilder (se figur 1, c-f)

"Detta är ett bra exempel på lagarbete där varje medlem tar med sig sina unika färdigheter till projektet för att få saker att hända." De andra författarna inkluderar Suchetan Pal och Zhengtao Deng, som också gjorde betydande bidrag för att avbilda strukturerna.

Yan hoppas kunna utöka utbudet av nanoformer ytterligare genom den nya tekniken. Så småningom, detta kommer att kräva längre längder av enkelsträngat DNA som kan tillhandahålla nödvändiga ställningar för större, mer genomarbetade strukturer. Han krediterar sin briljanta student (och tidningens första författare) Dongran Han med en anmärkningsvärd förmåga att konceptualisera 2- och 3D nanoformer och att navigera i de ofta förvirrande detaljerna i deras design. Men i slutändan mer sofistikerade nanoarkitekturer kommer att kräva datorstödda designprogram – ett område som teamet aktivt driver.

Det framgångsrika bygget av stängda, 3D nanoformer som sfären har öppnat dörren till många spännande möjligheter för tekniken, särskilt inom det biomedicinska området. Nanosfärer kan införas i levande celler till exempel, släpper ut sitt innehåll under påverkan av endonukleaser eller andra matsmältningskomponenter. En annan strategi kan använda sådana sfärer som nanoreaktorer - platser där kemikalier eller funktionella grupper kan sammanföras för att påskynda reaktioner eller utföra andra kemiska manipulationer.