Ett nytt sätt att göra 3D-nanostrukturer från DNA beskrivs i en studie publicerad i den välrenommerade tidskriften Natur . Studien leddes av forskare vid Karolinska Institutet som samarbetade med en grupp vid Finlands Aalto-universitet. Den nya tekniken gör det möjligt att syntetisera 3D DNA-origamistrukturer som också kan tolerera de låga saltkoncentrationerna inuti kroppen, vilket öppnar vägen för helt nya biologiska tillämpningar av DNA-nanoteknik. Designprocessen är också mycket automatiserad, som möjliggör skapandet av syntetiska DNA-nanostrukturer av anmärkningsvärd komplexitet.

Teamet bakom studien liknar det nya tillvägagångssättet med en 3D-skrivare för strukturer i nanoskala. Användaren ritar den önskade strukturen, i form av ett polygonobjekt, i 3D-programvara som normalt används för datorstödd design eller animering. Grafteoretiska algoritmer och optimeringstekniker används sedan för att beräkna de DNA-sekvenser som behövs för att producera strukturen.

När de syntetiserade DNA-sekvenserna kombineras i en saltlösning, de sätter ihop sig till rätt struktur. En av de stora fördelarna med att bygga nanostrukturer av DNA är att baserna binder till varandra genom basparning på ett förutsägbart sätt.

"Denna nya metod gör det mycket enkelt att designa DNA-nanostrukturer och ger mer designfrihet, " säger studieledare Björn Högberg från institutionen för medicinsk biokemi och biofysik vid Karolinska Institutet. "Vi kan nu göra strukturer som tidigare var omöjliga att designa och vi kan göra det på samma sätt som man kan rita en 3D-struktur för utskrift i makroskopisk skala, men istället för att göra det av plast, vi skriver ut det i DNA i nanoskala."

Genom att använda denna teknik, laget har byggt en boll, spiral, stav- och flaskformad struktur, och en DNA-utskrift av den så kallade Stanford Bunny, som är en vanlig testmodell för 3D-modellering. Förutom att vara enklare jämfört med tidigare sätt att göra DNA-origami, metoden – viktigare – kräver inte höga koncentrationer av magnesiumsalt.

"För biologiska tillämpningar, den mest avgörande skillnaden är att vi nu kan skapa strukturer som kan vikas in, och förbli livskraftig i, fysiologiska saltkoncentrationer som är mer lämpade för biologiska tillämpningar av DNA-nanostrukturer, " förklarar Dr Högberg.

"En fördel med den automatiserade designprocessen är att man nu systematiskt kan hantera till och med ganska komplexa strukturer. Avancerade beräkningsmetoder kommer sannolikt att vara en nyckelfaktor i skalningen av DNA-nanoteknik från grundläggande studier till banbrytande tillämpningar, säger professor Pekka Orponen, som ledde teamet vid Aalto-universitetets datavetenskapliga avdelning.

De möjliga tillämpningarna är många. Teamet vid Karolinska Institutet har tidigare gjort en DNA-nano-ok som används för att studera cellsignalering. Den nya tekniken gör det möjligt att genomföra liknande biologiska experiment på ett sätt som liknar förhållandena i celler ännu mer. DNA-nanostrukturer har också använts för att göra riktade kapslar som kan leverera cancerläkemedel direkt till tumörceller, vilket kan minska mängden läkemedel som behövs.