De replikerande enheterna. Kredit:(c) Junghoon Kim et al. Naturens nanoteknik , doi:10.1038/nnano.2015.87
(Phys.org) — Är det möjligt att konstruera självreplikerande nanomaterial? Det kan vara om vi lånar naturens byggstenar. DNA är en självreplikerande molekyl där dess beståndsdelar, nukleotider, har specifika kemiska interaktioner som möjliggör design av självmonterade strukturer. I biologiska system, DNA replikerar med hjälp av proteiner. Dock, Junghoon Kim, Junwye Lee, Shogo Hamada, Satoshi Murata, och Sung Ha Park vid Sungkyunkwan University och Tohoku University har designat ett kontrollerbart självreplikerande system som inte kräver proteiner. Deras arbete visas i Naturens nanoteknik .
För att förstå hur denna självreplikerande process fungerar, det är viktigt att känna till de olika delarna. Kim et al. designade två DNA T-motiv, r 1 och r 2 , som är dubbelsträngat DNA som består av funktionella domäner, märkt alfa och beta, och "klibbiga" ändar som anslutningspunkter. De designade också ett förlängningsmotiv. Tolv enheter av r 1 motiv självmontera till en liten ring, R 1 , och tolv enheter av r 2 plus tolv förlängningsmotiv självmonteras till en större ring, R 2 .
Dessa komponenter kan vara i två olika tillstånd, "befruktad" eller "obefruktad". De befruktade strukturerna innehåller de egenskaper som är nödvändiga för replikering. Befruktning sker när en enkelsträngad alfa- eller betadomän av en r 1 eller r 2 motiv binder med en sträng som har en komplementär alfa- eller betadomän. Detta lämnar ett enkelsträngat utsprång, eller tåhåll, som sträcker sig från ringen eller från originalmotivet. Tåhållen indikerar att ringen eller motivet är befruktat.
Dessa tåhåll som sträcker sig från DNA-ringen binder till komplementära inkräktande strängar. När detta händer, den hybridiserade strukturen som består av tåhållet och den invaderande strängen bryter av den initiala ringen, och slutligen, eftersom dessa bitar går av på grund av grenmigrering, de självmonterar till en annan ring.
Denna process fortsätter genom två olika replikationsvägar. En väg växer exponentiellt. Den andra vägen växer enligt Fibonaccis sekvens. Den speciella vägen som tas beror på vilka invaderande strängar som läggs till systemet.
Författarna verifierade att DNA-ringpopulationerna växte genom denna tåhållsförmedlade process med AFM och absorbansstudier. För AFM-studierna, de tog ett litet prov från varje fas och bestämde det genomsnittliga antalet ringar som fanns i den fasen. Absorbansdata justerades för att bestämma den relativa koncentrationen av ringar vid varje fas.
De verifierade också att dotterringarna var ett resultat av glödgning till enkelsträngade tåhåll från den initiala ringen snarare än som ett resultat av självmontering av kvarvarande DNA-motiv i lösning med hjälp av gelelektrofores och extrahering av DNA-produkterna från varje fas. De individuella faserna studerades med AFM och invaderande strängar sattes till en lösning under var och en av faserna för att se om ringar bildades.
Kim, et al. visat att självreplikering i nanoskala kan ske med hjälp av de termodynamiska egenskaperna hos tåhållsförmedlad strängförskjutning och DNA-motivens självmonterande förmåga. I den här studien sammanfogar syntetiska DNA T-motiv sig själv till strukturer som gör att sekventiella reaktioner kan äga rum. Denna forskning visar möjligheten av funktionellt programmerbara självreplikerande nanostrukturer.
© 2015 Phys.org
