I en ny upptäckt som representerar ett stort steg i att lösa en kritisk designutmaning, Professor Hao Yan vid Arizona State University har lett ett forskarlag för att producera en mängd olika 2D- och 3D-strukturer som tänjer på gränserna för det växande området för DNA-nanoteknik.

Området DNA-nanoteknik utnyttjar naturens designregler och DNA:s kemiska egenskaper för att självmontera till ett allt mer komplext menageri av molekyler för biomedicinska och elektroniska tillämpningar. Några av Yan-labbets prestationer inkluderar att bygga trojanska hästliknande strukturer för att förbättra läkemedelsleveransen till cancerceller, elektriskt ledande guld nanotrådar, enkelmolekylära sensorer och programmerbara molekylära robotar.

Med sina bioinspirerade arkitektoniska verk, gruppen fortsätter att utforska de geometriska och fysiska gränserna för att bygga på molekylär nivå.

"Människor inom det här fältet är mycket intresserade av att göra trådram eller nätstrukturer, " sa Yan. "Vi behövde komma med nya designprinciper som gör att vi kan bygga med mer komplexitet i tre dimensioner."

I sin senaste twist till tekniken, Yans team skapade nya 2D- och 3D-objekt som ser ut som trådramskonst av sfärer såväl som molekylär pincett, sax, en skruv, handfläkt, och till och med ett spindelnät.

Yan-labbet, som inkluderar ASU Biodesign Institute kollegor Dongran Han, Suchetan Pal, Shuoxing Jiang, Jeanette Nangreave och biträdande professor Yan Liu, publicerade sina resultat i numret den 22 mars av Vetenskap .

Vridningen i deras "bottom up, ' molekylär Lego-designstrategi fokuserar på en DNA-struktur som kallas en Holliday-korsning. I naturen, detta korsformade, dubbelstackad DNA-struktur är som genetikens 4-vägs trafikstopp - där två separata DNA-spiraler möts för att utbyta genetisk information. Holliday-korsningen är vägskälet som ansvarar för mångfalden av livet på jorden, och ser till att barn får en unik blandning av egenskaper från en mammas och pappas DNA.

I naturen, Holliday-övergången vrider de dubbelstaplade DNA-strängarna i en vinkel på cirka 60 grader, vilket är perfekt för att byta gener men ibland frustrerande för DNA-nanoteknikforskare, eftersom det begränsar designreglerna för deras strukturer.

"I princip, du kan använda ställningen för att ansluta flera lager horisontellt, " [som många forskarlag har använt sedan utvecklingen av DNA-origami av Cal Techs Paul Rothemund 2006]. Men, när du går i vertikal riktning, DNA:s polaritet hindrar dig från att göra flera lager, " sa Yan. "Vad vi behövde göra är att rotera vinkeln och tvinga den att ansluta."

Att göra de nya strukturerna som Yan föreställde sig krävde omkonstruktion av Holliday-korsningen genom att vända och rotera runt korsningspunkten ungefär en halv urtavla, eller 150 grader. En sådan bedrift har inte beaktats i befintliga konstruktioner.

"Den första idén var den svåraste delen, ", sa Yan. "Ditt sinne ser inte alltid möjligheterna så du glömmer det. Vi var tvungna att bryta den konceptuella barriären att detta kunde hända."

I den nya studien, genom att variera längden på DNA mellan varje Holliday-korsning, de kunde tvinga geometrin vid Holliday-korsningarna till en okonventionell omarrangering, gör korsningarna mer flexibla att bygga för första gången i den vertikala dimensionen. Yan kallar bakgårdens grillformade struktur för en DNA Gridiron.

"Vi blev förvånade över att det fungerade!" sa Yan. "När vi såg att det faktiskt fungerade, det var relativt enkelt att implementera nya konstruktioner. Nu verkar det enkelt i efterhand. Om ditt tänkesätt begränsas av de konventionella reglerna, det är verkligen svårt att ta nästa steg. När du väl tar det steget, det blir så uppenbart."

DNA Gridiron-designerna är programmerade till ett viralt DNA, där en spagettiformad enkel DNA-sträng spottas ut och vikas ihop med hjälp av små "häftklammer" DNA-strängar som hjälper till att forma den slutliga DNA-strukturen. I ett provrör, blandningen värms upp, kyldes sedan snabbt, och allt självmonteras och formas till den slutliga formen när det har svalnat. Nästa, använder sofistikerad AFM- och TEM-bildteknik, de kan undersöka formerna och storlekarna på slutprodukterna och avgöra att de har formats korrekt.

Detta tillvägagångssätt har gjort det möjligt för dem att bygga flerskiktiga, 3D-strukturer och böjda objekt för nya applikationer.

"De flesta av vårt forskarteam ägnar sig nu åt att hitta nya tillämpningar för denna grundläggande verktygslåda vi gör, ", sa Yan. "Det är fortfarande en lång väg att gå och många nya idéer att utforska. Vi behöver bara fortsätta prata med biologer, fysiker och ingenjörer för att förstå och möta deras behov."