Medan den primära uppgiften för DNA i celler är att föra genetisk information från en generation till nästa, vissa forskare ser också den mycket stabila och programmerbara molekylen som ett idealiskt byggmaterial för strukturer i nanoskala som kan användas för att leverera läkemedel, fungera som biosensorer, utföra artificiell fotosyntes med mera.

Att försöka bygga DNA-strukturer i stor skala ansågs en gång vara otänkbart. Men för ungefär fem år sedan, Caltechs beräkningsbioingenjör Paul Rothemund lade fram en ny designstrategi kallad DNA-origami:konstruktionen av tvådimensionella former från en DNA-sträng som viks över sig själv och säkrad med korta "häftklammer"-strängar. Flera år senare, William Shihs labb vid Harvard Medical School översatte detta koncept till tre dimensioner, möjliggör design av komplexa krökta och böjda strukturer som öppnade nya vägar för syntetisk biologisk design på nanoskala.

Ett stort hinder för dessa allt mer komplexa konstruktioner har varit automatisering av designprocessen. Nu ett team på MIT, ledd av den biologiska ingenjören Mark Bathe, har utvecklat mjukvara som gör det lättare att förutsäga den tredimensionella formen som kommer att bli resultatet av en given DNA-mall. Även om programvaran inte helt automatiserar designprocessen, det gör det avsevärt lättare för designers att skapa komplexa 3D-strukturer, kontrollerar deras flexibilitet och potentiellt deras vikningsstabilitet.

"Vi söker slutligen ett designverktyg där du kan börja med en bild av den komplexa tredimensionella formen av intresse, och algoritmen söker efter optimala sekvenskombinationer, säger Bathe, Samuel A. Goldblith biträdande professor i tillämpad biologi. "För att göra denna teknik för nanomontering tillgänglig för det bredare samhället - inklusive biologer, apotek, och materialvetare utan expertis inom DNA-origamitekniken – beräkningsverktyget måste vara helt automatiserat, med ett minimum av mänsklig insats eller ingripande.”

Bathe och hans kollegor beskrev sin nya programvara i numret den 25 februari av Naturmetoder . I den tidningen, de ger också en primer om att skapa DNA-origami med samarbetspartner Hendrik Dietz vid Technische Universitaet Muenchen. "En flaskhals för att göra tekniken mer allmänt användbar är att endast en liten grupp specialiserade forskare är utbildade i design av byggnadsställningar för DNA-origami, säger Bathe.

Programmering av DNA

DNA består av en sträng av fyra nukleotidbaser som kallas A, T, G och C, som gör molekylen lätt att programmera. Enligt naturens regler, A binder endast med T, och G endast med C. "Med DNA, i liten skala, du kan programmera dessa sekvenser för att självmontera och vika till en mycket specifik slutstruktur, med separata trådar sammanförda för att göra föremål i större skala, säger Bathe.

Rothemunds origamidesignstrategi är baserad på idén att få en lång DNA-sträng att vikas i två dimensioner, som om den lades på en plan yta. I sin första artikel som beskriver metoden, han använde ett viralt genom bestående av cirka 8, 000 nukleotider för att skapa 2D-stjärnor, trianglar och smileys.

Den enda DNA-strängen fungerar som en "ställning" för resten av strukturen. Hundratals kortare trådar, var och en ca 20 till 40 baser långa, kombinera med ställningen för att hålla den i sin sista, vikt form.

"DNA är på många sätt bättre lämpat för självmontering än proteiner, vars fysiska egenskaper är både svåra att kontrollera och känsliga för sin omgivning, säger Bathe.

Bathes nya program gränssnitt med ett program från Shihs labb som heter caDNAno, som tillåter användare att manuellt skapa byggnadsställningar DNA-origami från en tvådimensionell layout. Det nya programmet, dubbad CanDo, tar caDNAnos 2D-ritning och förutsäger designens ultimata 3D-form. Denna resulterande form är ofta ointuitiv, Bada säger, eftersom DNA är ett flexibelt föremål som vrider sig, böjer och sträcker sig när den viks för att bilda en komplex 3D-form.

Enligt Rothemund, CanDo-programmet bör tillåta DNA-origamidesigners att mer noggrant testa sina DNA-strukturer och justera dem för att vika sig korrekt. "Medan vi har kunnat designa formen på saker, vi har inte haft några verktyg för att enkelt designa och analysera spänningarna och töjningarna i dessa former eller att designa dem för specifika ändamål, ” säger han.

På molekylär nivå, stress i dubbelspiralen av DNA minskar strukturens vikningsstabilitet och introducerar lokala defekter, som båda har hämmat framsteg inom området för byggnadsställningar för DNA-origami.

Postdoktor Do-Nyun Kim och doktorand Matthew Adendorff, både från Bathe lab, utvecklar nu CanDos kapacitet och optimerar designprocessen för byggnadsställningar för DNA-origami.

Att bygga verktyg i nanoskala

När forskare har ett tillförlitligt sätt att sätta ihop DNA-strukturer, nästa fråga är vad man ska göra med dem. En applikation som forskare är entusiastiska över är en "DNA-bärare" som kan transportera läkemedel till specifika destinationer i kroppen, såsom tumörer, där bäraren skulle släppa lasten baserat på en specifik kemisk signal från målcancercellen.

En annan möjlig tillämpning av byggnadsställningar DNA-origami skulle kunna hjälpa till att reproducera en del av ljusskördande apparaten av fotosyntetiska växtceller. Forskare hoppas kunna återskapa den komplexa serien med cirka 20 proteinsubenheter, men för att göra det, komponenter måste hållas samman i specifika positioner och orienteringar. Det är där DNA-origami kan komma in.

"DNA-origami möjliggör konstruktion av mycket exakta arkitektoniska arrangemang i nanoskala. Forskare utnyttjar denna unika egenskap för att utöva ett antal tillämpningar på nanoskala, inklusive en syntetisk fotocell, säger Bathe. "Medan applikationer som denna fortfarande är ganska långt borta vid horisonten, vi tror att programvara för förutsägande ingenjörskonst är avgörande för framsteg i denna riktning."

Nya ansökningar kan också växa ur en ny tävling som hålls på Harvard i sommar, kallas BIOMOD. Grundutbildningsteam från ett dussintal skolor, inklusive MIT, Harvard och Caltech, kommer att försöka designa biomolekyler i nanoskala för robotik, datorer och andra applikationer.

Sålänge, Bathe fokuserar på att vidareutveckla CanDo för att möjliggöra automatiserad DNA-origamidesign. "När du har ett automatiserat beräkningsverktyg som låter dig designa komplexa former på ett exakt sätt, Jag tror att vi har en mycket bättre position att utnyttja den här tekniken för intressanta tillämpningar, ” säger han.

För att DNA-origami ska ha en bred inverkan, det måste bli rutin att helt enkelt beställa DNA-delar för att bygga vilken konfiguration du kan tänka dig, säger Bada. Han noterar:"När icke-specialister kan designa godtyckliga 3D-nanostrukturer med hjälp av DNA-origami, deras fantasi kan flöda fritt."

---

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.