Forskare kan bygga komplexa, strukturer i nanometerskala av nästan vilken form och form som helst, med hjälp av DNA-strängar. Men dessa partiklar måste designas för hand, i en komplex och mödosam process.
Detta har begränsat tekniken, känd som DNA-origami, till bara en liten grupp experter på området.
Nu har ett team av forskare vid MIT och på andra håll utvecklat en algoritm som kan bygga dessa DNA-nanopartiklar automatiskt.
På detta sätt algoritmen, som redovisas tillsammans med en ny syntesmetode i tidskriften Vetenskap Denna vecka, skulle kunna tillåta tekniken att användas för att utveckla nanopartiklar för ett mycket bredare spektrum av applikationer, inklusive ställningar för vacciner, bärare för genredigeringsverktyg, och i arkivminneslagring.
Till skillnad från traditionell DNA-origami, där strukturen byggs upp manuellt för hand, Algoritmen börjar med en enkel, 3D geometrisk representation av objektets slutliga form, och bestämmer sedan hur det ska sättas ihop från DNA, enligt Mark Bathe, en docent i biologisk teknik vid MIT, som ledde forskningen.
"Papperet vänder problemet från ett där en expert designar det DNA som behövs för att syntetisera föremålet, till en där själva objektet är utgångspunkten, med de DNA-sekvenser som behövs definieras automatiskt av algoritmen, " säger Bathe. "Vår förhoppning är att denna automatisering avsevärt breddar andras deltagande i användningen av detta kraftfulla molekylära designparadigm."
Algoritmen representerar först objektet som en perfekt jämn, kontinuerlig kontur av dess yta. Det bryter sedan upp ytan i en serie polygonala former.
Nästa, den sträcker sig långt, enkel DNA-sträng, kallas ställningen, som fungerar som en tråd, genom hela strukturen för att hålla ihop den.
Algoritmen väver ställningen i ett snabbt och effektivt steg, som kan användas för alla former av 3D-objekt, säger Bada.
"Det [steget] är en kraftfull del av algoritmen, eftersom det inte kräver något manuellt eller mänskligt gränssnitt, och det fungerar garanterat mycket effektivt för alla 3D-objekt, " han säger.
Algoritmen, som är känd som DAEDALUS (DNA Origami Sequence Design Algorithm for User-defined Structures) efter den grekiska hantverkaren och konstnären som designade labyrinter som liknar origamis komplexa ställningsstrukturer, kan bygga vilken typ av 3D-form som helst, förutsatt att den har en stängd yta. Detta kan inkludera former med ett eller flera hål, såsom en torus.
I kontrast, en tidigare algoritm, publicerades förra året i tidskriften Natur , är endast kapabel att designa och bygga ytor på sfäriska föremål, och även då kräver manuellt ingripande.
Teamets strategi för att designa och syntetisera DNA-nanopartiklarna validerades också med hjälp av 3-D kryo-elektronmikroskopi-rekonstruktioner av Bathes samarbetspartner, Wah Chiu vid Baylor College of Medicine.
Forskarna undersöker nu ett antal tillämpningar för DNA-nanopartiklarna som byggts av DAEDALUS-algoritmen. En sådan tillämpning är en ställning för virala peptider och proteiner för användning som vacciner.
Ytan på nanopartiklarna kan utformas med vilken kombination av peptider och proteiner som helst, placerad på valfri plats på strukturen, för att efterlikna det sätt på vilket ett virus uppträder för kroppens immunförsvar.
Forskarna visade att DNA-nanopartiklarna är stabila i mer än sex timmar i serum, och försöker nu öka deras stabilitet ytterligare.
Nanopartiklarna kan också användas för att kapsla in CRISPR-Cas9-genredigeringsverktyget. CRISPR-Cas9-verktyget har enorm potential inom terapi, tack vare dess förmåga att redigera riktade gener. Dock, det finns ett stort behov av att utveckla tekniker för att förpacka verktyget och leverera det till specifika celler i kroppen, säger Bada.
Detta görs för närvarande med hjälp av virus, men dessa är begränsade i storleken på förpackningen de kan bära, begränsa deras användning. DNA-nanopartiklarna, i kontrast, är kapabla att bära mycket större genpaket och kan enkelt utrustas med molekyler som hjälper till att rikta in sig på rätt celler eller vävnad.
Teamet undersöker också användningen av nanopartiklarna som DNA-minnesblock. Tidigare forskning har visat att information kan lagras i DNA, på ett liknande sätt som 0:orna och 1:orna som användes för att lagra data digitalt. Informationen som ska lagras "skrivs" med hjälp av DNA-syntes och kan sedan läsas tillbaka med hjälp av DNA-sekvenseringsteknik.
Genom att använda DNA-nanopartiklarna skulle denna information kunna lagras på ett strukturerat och skyddat sätt, med varje partikel som liknar en sida eller kapitel i en bok. Att återkalla ett visst kapitel eller en viss bok skulle då vara lika enkelt som att läsa nanopartikelns identitet, ungefär som att använda bibliotekskort, säger Bada.
Den mest spännande aspekten av arbetet, dock, är att det avsevärt borde bredda deltagandet i tillämpningen av denna teknik, Bada säger, ungefär som 3-D-utskrift har gjort för komplexa 3-D geometriska modeller i makroskopisk skala.
Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
