Dessa är datorgenererade 3D-modeller (vänster) och motsvarande 2D-projektionsmikroskopibilder (höger) av nanostrukturer som är självmonterade från syntetiska DNA-strängar som kallas DNA-tegelstenar. En samling av master-DNA-tegel definierar en 25-nanometer kubik "molekylär duk" med 1000 voxlar. Genom att välja delmängder av tegelstenar från denna duk, Ke et al. konstruerade en panel med 102 distinkta former som uppvisar sofistikerade ytegenskaper såväl som intrikata inre håligheter och tunnlar. Dessa nanostrukturer kan möjliggöra olika tillämpningar, allt från medicin till nanobioteknik och elektronik. Kredit:Yonggang Ke, Wyss Institute, Harvard Universitet
Forskare vid Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering vid Harvard University har skapat mer än 100 tredimensionella (3D) nanostrukturer med hjälp av DNA-byggstenar som fungerar som Lego®-klossar – ett stort framsteg från de tvådimensionella (2D) strukturerna som samma team byggdes för några månader sedan.
I själva verket, framstegen innebär att forskare bara gick från att kunna bygga en platt vägg av Legos®, att bygga ett hus. Den nya metoden, presenterades som en forskningsartikel i 30 november -numret av Vetenskap , är nästa steg mot att använda DNA-nanoteknik för mer sofistikerade tillämpningar än någonsin tidigare, såsom "smarta" medicinska anordningar som riktar läkemedel selektivt till sjukdomsplatser, programmerbara bildprober, mallar för att exakt anordna oorganiska material vid tillverkning av nästa generations datakretsar, och mer.
Nanotillverkningstekniken, kallas "DNA-tegel självmontering, "använder kort, syntetiska DNA-strängar som fungerar som sammankopplade Lego®-klossar. Den drar nytta av förmågan att programmera DNA att formas till fördesignade former tack vare det underliggande "receptet" av DNA-baspar:A (adenosin) binder endast till T (tymin) och C (cytosin) binder endast till G (guanin).
Tidigare i år, Wyss -teamet rapporterade i Natur hur de kunde skapa en samling 2D -former genom att stapla en DNA -tegelsten (42 baser i längd) på en annan.
Men det finns en "twist" i den nya metoden som krävs för att bygga i 3D.
Tricket är att börja med ett ännu mindre DNA -tegel (32 baser i längd), som ändrar orienteringen för varje matchat par klossar till en 90 graders vinkel – vilket ger varannan Legos® en 3D-form. På det här sättet, teamet kan använda dessa klossar för att bygga "ut" förutom "upp, " och så småningom bilda 3D-strukturer, till exempel en 25 nanometer solid kub som innehåller hundratals tegelstenar. Kuben blir en "master" DNA "molekylär duk"; I detta fall, duken bestod av 1000 så kallade "voxels, "som motsvarar åtta baspar och mäter cirka 2,5 nanometer i storlek-vilket betyder att detta är arkitektur i dess minsta.
Huvudduken är där modulariteten kommer in:genom att helt enkelt välja delmängder av specifika DNA -tegelstenar från den stora kubiska strukturen, laget byggde 102 3D -strukturer med sofistikerade ytfunktioner, samt intrikata inre håligheter och tunnlar.
"Detta är en enkel, mångsidig och robust metod, " säger Peng Yin, Ph.D., Wyss kärna fakultetmedlem och senior författare på studien.
En annan metod som används för att bygga 3D-strukturer, kallas DNA-origami, är svårare att använda för att bygga komplexa former, Yin sa, eftersom den förlitar sig på en lång "byggnads" DNA -sträng som viks för att interagera med hundratals kortare "häftklamrar" - och varje ny form kräver en ny ställningsdirigeringsstrategi och därmed nya häftklamrar. I kontrast, DNA-tegelmetoden använder ingen ställningssträng och har därför en modulär arkitektur; varje tegelsten kan läggas till eller tas bort oberoende av varandra.
"Vi går blixtsnabbt i vår förmåga att ta fram allt kraftfullare sätt att använda biokompatibla DNA-molekyler som strukturella byggstenar för nanoteknik, som kan ha stort värde för medicin såväl som icke-medicinska tillämpningar, "säger Wyss Institute grundande direktör Don Ingber, M.D., Ph.D.
