Forskare från universitetet i Basel har lyckats organisera sfäriska fack i kluster som efterliknar hur naturliga organeller skulle skapa komplexa strukturer. De lyckades koppla ihop de syntetiska facken genom att skapa broar gjorda av DNA mellan dem. Detta representerar ett viktigt steg mot förverkligandet av så kallade molekylära fabriker. Journalen Nanobokstäver har publicerat sina resultat.

Inom en cell finns specialiserade fack som kallas organeller, som till exempel kärna, mitokondrier, peroxisomer och vakuoler som är ansvariga för specifika funktioner i cellen. Nästan alla sofistikerade biologiska funktioner hos celler realiseras genom självorganisering, en process genom vilken molekyler antar ett definierat arrangemang baserat på deras specifika konformationer och egenskaper, utan extern vägledning.

Att använda självorganisering av nanoobjekt i komplexa arkitekturer är en viktig strategi för att producera nya material med förbättrade egenskaper eller funktionalitet inom områden som kemi, elektronik och teknik. Till exempel, denna strategi har redan tillämpats för att skapa nätverk av oorganiska fasta nanopartiklar. Dock, än så länge, dessa nätverk kunde inte efterlikna sofistikerade strukturer som har biologiska funktioner i cellerna och därmed har potentiell tillämpning inom medicin eller biologi.

DNA-bryggor ger stabilitet

Den gemensamma forskningen av grupperna ledda av professorerna Cornelia Palivan och Wolfgang Meier ger nu ett nytt tillvägagångssätt för att självorganisera artificiella organeller till kluster som efterliknar kopplingen mellan deras naturliga motsvarigheter. Genom att använda enstaka DNA-strängar för att koppla samman de sfäriska avdelningarna lyckades forskarna skapa kluster enligt en specifik arkitektur och kontrollerade egenskaper. "Vi var glada över att se, att de olika DNA-strängarna på ytan av det sfäriska utrymmet migrerade tillsammans och bildade en bro med DNA-strängarna från nästa", säger Palivan. Denna DNA-brygga representerar en extremt stabil förbindelse.

Denna strategi inspirerad av naturen går utöver de faktiska självorganiseringsmetoderna, eftersom det också tillåter integrering av olika krav såsom finjustering av avståndet mellan avdelningarna eller olika topologier "on demand". Som fack, forskarna använde polymersomer, med ett syntetiskt membran som, till skillnad från liposomer, har den stora fördelen att vara mycket stabil och kontrollera sammansmältningen av enskilda fack i cellen.

En ytterligare unik fördel med denna strategi för att organisera nanokluster är det faktum att avdelningarna kan laddas med reaktionspartners som enzymer, proteiner eller katalysatorer. Detta ger grunden för vidare konstruktion av konstgjorda organeller som fungerar som molekylära fabriker. Denna forskning har gjorts inom National Centre of Competence in Research (NCCR) Molecular Systems Engineering.