De senaste DNA -nanodelenheter som skapats vid Technische Universitaet Muenchen (TUM) - inklusive en robot med rörliga armar, en bok som öppnar och stänger, en växlingsbar växel, och en ställdon - kan vara spännande i sig, men det är inte meningen. De visar ett genombrott i vetenskapen om att använda DNA som ett programmerbart byggmaterial för strukturer och maskiner i nanometer. Resultat publicerade i tidningen Vetenskap avslöja ett nytt tillvägagångssätt för att gå med - och omkonfigurera - modulära 3D -byggnadsenheter, genom att knäppa ihop komplementära former istället för att zippa ihop strängar av baspar. Detta öppnar inte bara vägen för praktiska nanomaskiner med rörliga delar, men erbjuder också en verktygslåda som gör det enklare att programmera sin självmontering.

Fältet populärt kallat "DNA origami, "med hänvisning till den traditionella japanska konsten att vika papper, går snabbt framåt mot praktiska tillämpningar, enligt TUM Prof. Hendrik Dietz. Tidigare den här månaden, Dietz tilldelades Tysklands viktigaste forskningspris, Gottfried Wilhelm Leibniz -priset, för hans roll i detta framsteg.

Under de senaste åren har Dietz och hans team har ansvarat för stora steg i applikationsriktningen:experimentella enheter inklusive en syntetisk membrankanal tillverkad av DNA; upptäckter som minskar tiden som behövs för självmonteringsprocesser från en vecka till några timmar och gör att avkastningen närmar sig 100%; bevis på att extremt komplexa strukturer kan monteras, som utformat, med subnanometer precision.

Ändå använde alla dessa framsteg "basparning" för att bestämma hur enskilda strängar och sammansättningar av DNA skulle gå ihop med andra i lösning. Det nya är "limet".

"När du har byggt en enhet med baspar, "Dietz förklarar, "det är svårt att bryta isär. Så dynamiska strukturer gjorda med den metoden tenderade att vara strukturellt enkla." För att möjliggöra ett större utbud av DNA -nanomaskiner med rörliga delar och potentiellt användbara funktioner, laget anpassade ytterligare två tekniker från naturens biomolekylära verktygssats:hur proteiner använder formkomplementaritet för att förenkla dockning med andra molekyler, och deras tendens att bilda relativt svaga bindningar som lätt kan brytas när de inte längre behövs.

Bioinspirerad flexibilitet

För experimenten rapporterade i Vetenskap , Dietz och hans medförfattare - doktorander Thomas Gerling och Klaus Wagenbauer, och kandidatexamen Andrea Neuner från TUM:s tekniska högskola i München - tog inspiration från en mekanism som gör att nukleinsyramolekyler kan binda genom interaktioner som är svagare än basparning. I naturen, svaga bindningar kan bildas när det RNA-baserade enzymet RNas P "känner igen" så kallat överförings-RNA; molekylerna styrs i tillräckligt nära intervall, som dockningsfartyg, genom deras kompletterande former.

Den nya tekniken från Dietz lab efterliknar detta tillvägagångssätt. För att skapa en dynamisk DNA -nanomaskin, forskarna börjar med att programmera självmonteringen av 3D-byggstenar som är formade för att passa ihop. En svag, kortsiktigt bindande mekanism som kallas nukleobasstackning kan sedan aktiveras för att fästa dessa enheter på plats. Tre olika metoder finns tillgängliga för att styra form och verkan på enheter som tillverkas på detta sätt.

"Det här har gett oss är en stegvis hierarki av interaktionsstyrkor, "Dietz säger, "och förmågan att placera - exakt där vi behöver dem - stabila domäner som kan känna igen och interagera med bindande partners." Teamet producerade en serie DNA -enheter - allt från mikrometer -filament som kan förinställa teknik "flagella" till nanoskala -maskiner med rörliga delar - för att demonstrera möjligheterna och börja testa gränserna.

Till exempel, överföringselektronmikrografier av en tredimensionell, nanoskala humanoid robot bekräftar att bitarna passar ihop exakt som de är utformade. Dessutom, de visar hur en enkel kontrollmetod - att ändra koncentrationen av positiva joner i lösning - aktivt kan växla mellan olika konfigurationer:monterade eller isärtagna, med "armar" öppna vida eller vilande vid robotens sida.

En annan metod för att växla en DNA -nanodeenhet mellan dess olika strukturella tillstånd - genom att helt enkelt höja och sänka temperaturen - visade sig vara särskilt robust. För tidigare generationer av enheter, detta krävde separering och återförening av DNA-baspar, och sålunda "slitna" systemen ut genom utspädning och sidreaktioner efter bara några cykler av omkoppling. Ett saxliknande ställdon som beskrivs i det aktuella dokumentet genomgick mer än tusen temperaturomkopplade cykler under en fyra dagars period utan tecken på nedbrytning.

"Temperaturcykling är ett sätt att lägga energi i systemet, "Dietz tillägger, "så om den reversibla konformationella övergången skulle kunna kopplas till en process som utvecklas kontinuerligt, vi har i princip nu ett sätt att inte bara bygga nanomaskiner, men också för att driva dem. "

"En snap" - som barns lek

Det finns ännu en dimension till flexibiliteten som uppnås genom att lägga till formkomplementära komponenter och svag bindning till DNA-nanoteknologiverktyget. Att programmera självmontering genom basparning ensam är som att skriva datorkod på maskinspråk. Förhoppningen är att detta nya tillvägagångssätt ska göra det lättare att böja DNA -origami mot praktiska ändamål, på ungefär samma sätt som utvecklingen av datorprogrammeringsspråk på högre nivå ledde till framsteg inom mjukvaruteknik.

Dietz jämför det med att bygga med barnleksaker som LEGO:"Du designar komponenterna för att komplettera, och det är allt. Inget mer tjafs med baspar-sekvenser för att ansluta komponenter. "