DNA, livets molekylära grund, har nya knep i ärmen. De fyra baserna som den består av snäpper ihop som sticksågsbitar och kan artificiellt manipuleras för att konstruera oändligt varierande former i två och tre dimensioner. Tekniken, känd som DNA-origami, lovar att marknadsföra futuristiska mikroelektronik och biomedicinska innovationer.

Hao Yan, en forskare vid Arizona State Universitys Biodesign Institute, har arbetat i många år för att förfina tekniken. Hans mål är att komponera nya uppsättningar designregler, avsevärt utöka utbudet av nanoskalaarkitekturer som genereras av metoden. I ny forskning, en mängd innovativa nanoformer beskrivs, var och en visar oöverträffad designkontroll.

Yan är Milton D. Glick Distinguished Chair of Chemistry and Biochemistry och leder Biodesigns Center for Molecular Design and Biomimetics.

I den aktuella studien, komplexa nanoformer som visar godtyckliga wireframe-arkitekturer har skapats, med hjälp av en ny uppsättning designregler. "Tidigare designmetoder använde strategier inklusive parallellt arrangemang av DNA -spiraler för att approximera godtyckliga former, men exakt finjustering av DNA-wireframe-arkitekturer som förbinder hörn i 3D-rymden har krävt ett nytt tillvägagångssätt, " säger Yan.

Yan har länge fascinerats av Naturens till synes gränslösa kapacitet för designinnovation. Den nya studien beskriver wireframe-strukturer med hög komplexitet och programmerbarhet, tillverkad genom den exakta kontrollen av förgrening och krökning, med hjälp av nya organisatoriska principer för mönstren. (Wireframes är tredimensionella skelettmodeller representerade enbart genom linjer och hörn.)

De resulterande nanoformerna inkluderar symmetriska gittermatriser, kvaskristallina strukturer, kurvlinjära arrayer, och en enkel trådkonstskiss i 100-nm-skalan, samt 3D -objekt inklusive en snub -kub med 60 kanter och 24 hörn och en omkonfigurerbar Archimedean -solid som kan styras för att göra ut- och återviktningsövergångarna mellan 3D och 2D.

Forskningen visas i den avancerade onlineupplagan av tidskriften Naturens nanoteknik .

I tidigare utredningar, Yan-gruppen skapade subtila arkitektoniska former i en häpnadsväckande liten skala, vissa mäter bara tiotals nanometer - ungefär diametern på en viruspartikel. Dessa nanoobjekt inkluderar sfärer, spiraler, kolvar, Möbius former, och till och med en autonom spindelliknande robot som kan följa ett förberett DNA-spår.

Tekniken för DNA-origami utnyttjar de enkla basparningsegenskaperna hos DNA, en molekyl byggd av de fyra nukleotiderna Adenin (A), Tymin (T) Cytosin (C) och (Guanin). Spelreglerna är enkla:A:s par alltid med T:s och C:s med G:er. Med hjälp av detta förkortade ordförråd, de otaliga kroppsplanerna för alla levande organismer konstrueras; även om duplicering av naturens enklare design har krävt stor uppfinningsrikedom.

Grundidén med DNA-origami är att använda en längd enkelsträngat DNA som ställning för den önskade formen. Basparning av komplementära nukleotider får formen att vikas och självmontera. Processen styrs av tillsats av kortare "häftklamrar, " som hjälper till att vika ställningen och hålla ihop den resulterande strukturen. Olika bildtekniker används för att observera de små strukturerna, inklusive fluorescens-, elektron- och atomkraftsmikroskopi.

Även om DNA-origami ursprungligen producerade nanoarkitekturer av rent estetiskt intresse, förbättringar av tekniken har öppnat dörren till en rad spännande tillämpningar inklusive molekylära burar för inkapsling av molekyler, enzymimmobilisering och katalys, kemiska och biologiska avkänningsverktyg, läkemedelsleveransmekanismer, och molekylära beräkningsenheter.

Tekniken som beskrivs i den nya studien tar detta tillvägagångssätt ett steg längre, tillåta forskare att övervinna lokala symmetribegränsningar, skapa trådramar med hög ordens godtycklighet och komplexitet. Här, varje linjesegment och vertex är individuellt utformade och kontrollerade. Antalet armar som utgår från varje vertex kan varieras från 2 till 10 och de exakta vinklarna mellan intilliggande armar kan modifieras.

I den aktuella studien, metoden tillämpades först på symmetriska, regelbundet upprepade polygonala mönster, inklusive sexkantig, kvadratiska och triangulära kakelgeometrier. Sådana vanliga mönster är kända som tessellationsmönster.

En smart strategi med en serie broar och slingor användes för att ordentligt leda ställningssträngen, låter den passera genom hela strukturen, vidrör alla linjer i trådramen en gång och bara en gång. Häftklamrar applicerades sedan för att slutföra mönstren.

I efterföljande etapper, forskarna skapade mer komplexa wireframe-strukturer, utan den lokala translationella symmetrin som finns i tessellationsmönstren. Tre sådana mönster gjordes, inklusive en stjärnform, en 5-faldig Penrose-kakel och ett 8-faldigt kvaskristallint mönster. (Kvasikristaller är strukturer som är mycket ordnade men icke-periodiska. Sådana mönster kan kontinuerligt fylla tillgängligt utrymme, men är inte translationellt symmetriska.) Slingstrukturer infogade i stapelsträngar och oparade nukleotider vid vertexpunkterna för ställningssträngarna användes också, tillåta forskare att utföra precisionsmodifieringar i kopplingsarmarnas vinklar.

De nya designreglerna testades sedan med monteringen av allt mer komplexa nanostrukturer, involverar hörn från 2 till 10 armar, med många olika vinklar och krökningar inblandade, inklusive ett komplext mönster av fåglar och blommor. Noggrannheten i designen bekräftades därefter av AFM-avbildning, bevisar att metoden framgångsrikt kan ge mycket sofistikerade trådramram -DNA -nanostrukturer.

Metoden anpassades sedan för att även producera ett antal 3D-strukturer, inklusive en kuboktaeder, och ett annat arkimedianskt fast ämne som kallas en snub -kub - en struktur med 60 kanter, 24 hörn och 38 ansikten, inklusive 6 kvadrater och 32 liksidiga trianglar. Författarna betonar att de beskrivna nya designinnovationerna kan användas för att komponera och konstruera alla tänkbara trådramar -nanostrukturer - ett betydande framsteg för det växande området.

Vid horisonten, nanoskala strukturer kan en dag samlas för att jaga cancerceller i kroppen eller fungera som robot monteringslinjer för design av nya läkemedel.