Två stora hinder för utvecklingen av DNA-nanoteknik bortom forskningslabbet har slagits ner. Denna framväxande teknologi använder DNA som ett programmerbart byggmaterial för självmonterade, strukturer i nanometerskala. Många praktiska tillämpningar har föreställts, och forskare visade nyligen en syntetisk membrankanal gjord av DNA. Tills nu, dock, designprocesser hämmades av bristen på strukturell feedback. Monteringen var långsam och ofta av dålig kvalitet. Nu har forskare under ledning av prof. Hendrik Dietz vid Technische Universitaet Muenchen (TUM) tagit bort dessa hinder.

En barriär som höll tillbaka fältet var ett obevisat antagande. Forskare kunde designa ett brett utbud av diskreta objekt och specificera exakt hur DNA-strängar ska bli sammandragna och vikas till de önskade formerna. De kunde visa att de resulterande nanostrukturerna nära matchade designen. fortfarande saknas, fastän, var valideringen av den antagna subnanometerskalans exakta positionskontroll. Detta har för första gången bekräftats genom analys av ett testobjekt designat specifikt för ändamålet. Ett tekniskt genombrott baserat på framsteg inom grundläggande förståelse, denna demonstration har gett en avgörande verklighetskontroll för DNA-nanoteknik.

I en separat uppsättning experiment, forskarna upptäckte att tiden det tar att göra en sats av komplexa DNA-baserade föremål kan skäras från en vecka till några minuter, och att avkastningen kan vara nästan 100 %. De visade för första gången att vid en konstant temperatur, hundratals DNA-strängar kan vikas ihop för att bilda ett objekt – korrekt, som designat – inom några minuter. Förvånande, de säger, processen liknar proteinveckning, trots betydande kemiska och strukturella skillnader. "När du ser denna kombination av snabb vikning och hög avkastning, " Dietz säger, "vi har en starkare känsla än någonsin att DNA-nanoteknik kan leda till en ny typ av tillverkning, med en reklamfilm, även industriell framtid." Och det finns omedelbara fördelar, han tillägger:"Nu behöver vi inte vänta en vecka på feedback på en experimentell design, och flerstegs monteringsprocesser har plötsligt blivit så mycket mer praktiska."

Atomiskt exakt kontroll

För att testa antagandet att diskreta DNA-objekt kunde sättas ihop som designade med subnanometerprecision, TUM biofysiker samarbetade med forskare vid MRC Laboratory of Molecular Biology i Cambridge, STORBRITANNIEN. De producerade en relativt stor, tredimensionell DNA-baserad struktur, asymmetrisk för att hjälpa till att bestämma orienteringen, och innehåller distinkta designmotiv.

Subnanometerupplösningsavbildning med lågtemperaturelektronmikroskopi gjorde det möjligt för forskarna att kartlägga objektet - som omfattar mer än 460, 000 atomer – med detaljer i subnanometerskala. Eftersom objektet innehåller, i själva verket, ett helt bibliotek med olika designelement, den kommer också att fungera som en resurs för vidare studier. Resultaten, redovisas i Proceedings of the National Academy of Sciences , inte bara demonstrera atomärt exakt montering, men visar också att sådana strukturer, som tidigare ansågs vara geléliknande och flexibel, är tillräckligt stela för att kunna undersökas med elektronmikroskopi.

Snabb bearbetning, nästan 100 % avkastning

I kontrast, DNA-objekt med 19 olika mönster – inklusive plattliknande, redskapsliknande, och tegelliknande former – användes för en andra serie experiment vid TUM, rapporterade i senaste numret av Vetenskap . Här låg forskarnas huvudfokus på dynamiken i DNA-veckning och -utveckling. Den vanliga självmonteringsprocessen beskrivs ofta som en "one-pot-reaktion":DNA-strängar som kommer att fungera som mall, instruktioner, och byggmaterial för ett designat föremål placeras tillsammans vid en relativt hög temperatur där de kommer att förbli separata; temperaturen sänks gradvis, och någonstans längs linjen drar DNA-strängarna ihop sig för att bilda de önskade strukturerna.

Att observera denna process i oöverträffad detalj, TUM-forskarna upptäckte att all åtgärd äger rum inom ett specifikt och relativt smalt temperaturområde, som skiljer sig beroende på objektets utformning. En praktisk innebörd är att när den optimala temperaturen för en given design har bestämts, DNA-självmontering – nanotillverkning, i huvudsak – skulle kunna åstadkommas genom snabba processer vid konstanta temperaturer. Följer upp detta ledarskap, forskarna fann att de kunde "massproducera" föremål gjorda av hundratals DNA-strängar inom några minuter istället för dagar, med nästan inga defekta föremål eller biprodukter i den resulterande satsen.

"Förutom att berätta för oss att komplexa DNA-objekt kan tillverkas, " Dietz säger, "dessa resultat tyder på något vi knappt vågat föreställa oss tidigare - att det kan vara möjligt att montera DNA-nanoenheter i en cellkultur eller till och med i en levande cell."

Ur grundläggande biologis synvinkel, det mest spännande resultatet av dessa experiment kan vara upptäckten att DNA-veckning liknar proteinveckning närmare än väntat. Kemiskt och strukturellt, de två familjerna av biomolekyler är helt olika. Men forskarna observerade tydligt definierade "kooperativa" steg i vikningen av komplexa DNA-objekt, inte i princip skiljer sig från mekanismer som fungerar vid proteinveckning. De spekulerar i att ytterligare experiment med självmontering av designade DNA-objekt kan hjälpa till att reda ut mysterierna med proteinveckning, som är mer komplex och mindre tillgänglig för direktstudier.