Flytta dig, nanoteknologer, och ge plats åt den största av de små. Forskare vid Harvard's Wyss Institute har byggt en uppsättning självmonterande DNA-burar som är en tiondel så breda som en bakterie. Strukturerna är några av de största och mest komplexa strukturer som någonsin konstruerats enbart från DNA, de rapporterar dagens nätupplaga av Vetenskap .

Dessutom, forskarna visualiserade dem med en DNA-baserad superupplösningsmikroskopimetod – och fick de första skarpa optiska 3D-bilderna av intakta syntetiska DNA-nanostrukturer i lösning.

I framtiden, forskare skulle potentiellt kunna belägga DNA-burarna för att omsluta deras innehåll, förpackning av läkemedel för leverans till vävnader. Och, som en rymlig garderob, buren skulle kunna modifieras med kemiska krokar som kan användas för att hänga upp andra komponenter som proteiner eller guld nanopartiklar. Detta kan hjälpa forskare att bygga en mängd olika tekniker, inklusive små kraftverk, små fabriker som tillverkar specialkemikalier, eller högkänsliga fotoniska sensorer som diagnostiserar sjukdom genom att detektera molekyler som produceras av onormal vävnad.

"Jag ser spännande möjligheter för denna teknik, sa Peng Yin, Ph.D., en kärnfakultetsmedlem vid Wyss Institute och biträdande professor i systembiologi vid Harvard Medical School, och senior författare av tidningen.

Bygga med DNA

DNA är mest känt som en innehavare av genetisk information. Men forskare inom det framväxande området för DNA-nanoteknik undersöker sätt att använda den för att bygga små strukturer för en mängd olika tillämpningar. Dessa strukturer är programmerbara, genom att forskare kan specificera sekvensen av bokstäver, eller baser, i DNA, och dessa sekvenser bestämmer sedan strukturen den skapar.

Hittills har de flesta forskare inom området använt en metod som kallas DNA-origami, där korta DNA-strängar häftar ihop två eller tre separata segment av en mycket längre sträng, vilket får den tråden att vikas till en exakt form. DNA-origami skapades delvis av Wyss Institute Core Faculty-medlem William Shih, Ph.D., som också är docent vid avdelningen för biologisk kemi och molekylär farmakologi vid Harvard Medical School och avdelningen för cancerbiologi vid Dana-Farber Cancer Institute.

Yins team har byggt olika typer av DNA-strukturer, inklusive en moduluppsättning av delar som kallas enkelsträngade DNA-plattor eller DNA-tegelstenar. Som LEGO® klossar, dessa delar kan läggas till eller tas bort oberoende av varandra. Till skillnad från LEGO® klossar, de självmonterar spontant.

Men för vissa applikationer, forskare kan behöva bygga mycket större DNA-strukturer än någon har byggt hittills. Så, att lägga till sin verktygslåda, Yins team sökte mycket större byggstenar att matcha.

Tekniska utmaningar

Yin och hans kollegor använde först DNA-origami för att skapa extra stora byggstenar i form av en fotografs stativ. Planen var att konstruera dessa stativben för att fästa ände till ände för att bilda polyedrar – föremål med många platta ytor som i sig är trianglar, rektanglar, eller andra polygoner.

Men när Yin och tidningens tre huvudförfattare, Ryosuke Iinuma, en tidigare Wyss Institute Visiting Fellow, Yonggang Ke, Ph.D., en tidigare Wyss postdoktor som nu är biträdande professor i biomedicinsk teknik vid Georgia Institute of Technology och Emory University, och Ralf Jungman, Ph.D, en Wyss postdoktor, byggde större stativ och försökte sätta ihop dem till polyedrar, de stora stativens ben slingrade och vinglade, vilket hindrade dem från att göra polyedrar alls.

Forskarna kom runt det problemet genom att bygga in ett horisontellt stöd för att stabilisera varje benpar, precis som en möbelmakare skulle använda en träbit för att överbrygga benen på en vinglig stol.

För att limma ihop stativbenen ände i ände, de utnyttjade det faktum att matchande DNA-strängar paras ihop och fäster vid varandra. De lämnade en etikett med DNA hängande på ett stativben, och en matchande etikett på benet på ett annat stativ som de ville att det skulle paras med.

Teamet programmerade DNA för att vikas till robusta stativ som är 60 gånger större än tidigare DNA-stativliknande byggstenar och 400 gånger större än DNA-tegelstenar. Dessa stativ sattes sedan ihop till en specifik typ av tredimensionell polyeder - allt i ett enda provrör.

Genom att justera längden på stöttan, de byggde stativ som sträckte sig från upprättstående till släta ben. Fler upprättstående stativ bildade polyedrar med färre ansikten och skarpare vinklar, såsom en tetraeder, som har fyra triangulära ytor. Fler släta benstativ bildade polyedrar med fler ansikten, såsom ett hexagonalt prisma, som är formad som ett hjul av ost och har åtta ansikten, including its top and bottom.

I alla, they created five polyhedra:a tetrahedron, a triangular prism, a cube, a pentagonal prism, and a hexagonal prism.

Ultrasharp snapshots

After building the cages, the scientists visualized them using a DNA-based microscopy method Jungmann had helped developed called DNA-PAINT. In DNA-PAINT, short strands of modified DNA cause points on a structure to blink, and data from the blinking images reveal structures too small to be seen with a conventional light microscope. DNA-PAINT produced ultrasharp snapshots of the researchers' DNA cages – the first 3D snapshots ever of single DNA structures in their native, watery environment.

"Bioengineers interested in advancing the field of nanotechnology need to devise manufacturing methods that build sturdy components in a highly robust manner, and develop self-assembly methods that enable formation of nanoscale devices with defined structures and functions, " said Wyss Institute Founding Director Don Ingber, M.D., Ph.D. "Peng's DNA cages and his methods for visualizing the process in solution represent major advances along this path."