Många självorganiserade system i naturen utnyttjar en sofistikerad blandning av deterministiska och slumpmässiga processer. Inget träd är exakt det andra likt eftersom tillväxten är slumpmässig, men en Redwood kan lätt särskiljas från en Jacaranda eftersom de två arterna följer olika genetiska program. Värdet av slumpmässighet i biologiska organismer är inte helt förstått, men det har antagits att det tillåter mindre genomstorlekar - eftersom inte varje detalj måste kodas. Slumpmässighet ger också variationen bakom adaptiv evolution.

I motsats till biologi, teknik utnyttjar sällan kraften i slumpmässighet för att tillverka komplexa strukturer. Nu, en grupp Caltech-forskare har visat att slumpmässighet i molekylär självmontering kan kombineras med deterministiska regler för att producera komplexa nanostrukturer ur DNA.

Arbetet, gjort i laboratoriet för biträdande professor i bioteknik Lulu Qian, visas i numret av tidskriften den 28 november Naturens nanoteknik .

Levande varelser använder DNA för att lagra genetisk information, men DNA kan också användas som en robust kemisk byggsten för molekylär ingenjörskonst. De fyra komplementära molekylerna som utgör DNA, kallas nukleotider, binder samman endast på specifika sätt:A binder med T, och G binder med C. Under 2006, Paul Rothemund (BS '94), forskningsprofessor i bioteknik, datavetenskap och matematiska vetenskaper, och beräknings- och neurala system på Caltech, uppfann en teknik som kallas DNA-origami som drar fördel av matchningen mellan långa strängar av DNA-nukleotider, vika dem till allt från konstverk i nanoskala till anordningar för läkemedelsleverans. De självmonterade strukturerna som bildas genom DNA-origami kan vara funktionella i sig själva eller de kan användas som mallar för att organisera andra funktionella molekyler - som kolnanorör, proteiner, metall nanopartiklar, och organiska färgämnen – med oöverträffad programmerbarhet och rumslig precision.

Att använda DNA-origami som byggsten, forskare har gjort större DNA-nanostrukturer, såsom periodiska uppsättningar av origamiplattor. Dock, eftersom byggstenen bara upprepas överallt, komplexiteten hos mönster som kan bildas på dessa större strukturer är ganska begränsad. Helt deterministiska monteringsprocesser – som styr utformningen av varje enskild bricka och dess distinkta position i arrayen – kan ge upphov till komplexa mönster, men dessa processer skalar inte upp bra. Omvänt, om endast slumpmässiga processer är involverade och de globala funktionerna i arrayen inte kontrolleras av designregler, det är omöjligt att skapa komplexa mönster med önskade egenskaper utan att samtidigt generera en stor del av oönskade molekyler som går till spillo. Fram till arbetet av Qian och hennes kollegor, att kombinera deterministiska processer med slumpmässiga processer hade aldrig systematiskt utforskats för att skapa komplexa DNA-nanostrukturer.

"Vi letade efter molekylära självmonteringsprinciper som omfattar både deterministiska och slumpmässiga aspekter, " säger Qian. "Vi utvecklade en enkel uppsättning regler som tillåter DNA-brickor att binda slumpmässigt men bara till specifika kontrollerade mönster."

Tillvägagångssättet innebär att designa mönster på individuella plattor, modulera förhållandena mellan olika brickor, och bestämma vilka plattor som kan binda ihop under självmontering. Detta leder till framväxande funktioner i stor skala med inställbara statistiska egenskaper - ett fenomen som författarna kallar "programmerbar störning".

"De strukturer som vi kan bygga har programmerbart slumpmässiga aspekter, " säger Grigory Tikhomirov, en senior postdoktor i biologi och biologisk teknik, och huvudförfattare på tidningen. "Till exempel, vi kan göra strukturer som har linjer som tar till synes slumpmässiga vägar, men vi kan se till att de aldrig skär varandra och alltid slutligen sluter sig i slingor."

Förutom loopar, teamet valde två andra exempel, labyrinter och träd, för att visa att många icke-triviala egenskaper hos dessa strukturer kan kontrolleras av enkla lokala regler. De fann dessa exempel intressanta eftersom loop, labyrint, och trädstrukturer finns i stor utsträckning i naturen över flera skalor. Till exempel, lungor är trädstrukturer på millimeter till centimeter skala, och neurala dendriter är trädstrukturer på mikrometer till millimeterskala. De kontrollerade egenskaperna som de visade inkluderar förgreningsreglerna, tillväxtriktningarna, närheten mellan angränsande nätverk, och storleksfördelningen.

Gruppen inspirerades först av de klassiska Truchet-plattorna, som är fyrkantiga brickor med två diagonalsymmetriska bågar av DNA på ytan. Det finns två rotationsasymmetriska orienteringar av bågmönstret. Tillåter ett slumpmässigt val av de två brickorienteringarna på varje plats i arrayen, mönstret kommer att fortsätta genom intilliggande brickor, antingen blir slingor av olika storlekar eller går ut från en kant av arrayen.

För att skapa Truchet-arrayer i molekylär skala, teamet använde DNA-origamitekniken för att vika DNA till fyrkantiga brickor och designade sedan interaktionerna mellan dessa brickor för att uppmuntra dem att själva montera ihop till stora tvådimensionella arrayer.

"Eftersom alla molekyler stöter på varandra när de flyter runt i ett provrör under processen för självmontering, interaktionerna ska vara tillräckligt svaga för att tillåta brickorna att ordna om sig själva och undvika att fastna i några oönskade konfigurationer, säger Philip Petersen, en doktorand i Qian-laboratoriet och medförsta författare på tidningen. "Å andra sidan, interaktionerna bör vara tillräckligt specifika så att de önskade interaktionerna alltid föredras framför oönskade, falska interaktioner."

Olika typer av globala mönster uppstår när brickor markeras med olika lokala mönster. Till exempel, om varje slumpmässigt orienterad bricka har ett "T" snarare än två bågar, det globala mönstret är en labyrint med grenar och slingor snarare än bara slingor. Om reglerna för självmontering begränsar den möjliga relativa orienteringen av angränsande "T"-plattor, det är möjligt att säkerställa att annat än en enda "rot, " grenarna i labyrinterna sluter sig aldrig till slingor - producerar träd. För att utforska den fulla allmänheten av dessa principer, Qians team utvecklade ett programmeringsspråk för slumpmässiga DNA-origamiplattor.

"Med detta programmeringsspråk, designprocessen börjar med en beskrivning på hög nivå av brickorna och arrayerna, som automatiskt kan översättas till abstrakta arraydiagram och numeriska simuleringar, går sedan över till design av DNA-origamiplattor inklusive hur plattorna interagerar med varandra på sina kanter. Till sist, vi designar DNA-sekvenser, " säger Qian. "Med dessa DNA-sekvenser, det är enkelt för forskare att beställa DNA-strängarna, blanda dem i ett provrör, vänta på att molekylerna ska självmontera i de designade strukturerna över natten, och få bilder av strukturerna med hjälp av ett atomkraftmikroskop."

Gruppens metod för programmerbar störning har olika framtida tillämpningar. Till exempel, den skulle kunna användas för att bygga komplexa testmiljöer för allt mer sofistikerade molekylära robotar – DNA-baserade maskiner i nanoskala som kan röra sig på en yta, plocka upp eller lämna proteiner eller andra typer av molekyler som last, och fatta beslut om navigering och åtgärder.

"De potentiella tillämpningarna är mycket bredare, " tillägger Qian. Sedan 1990-talet, slumpmässiga endimensionella kedjor av polymerer har använts för att revolutionera kemisk och materialsyntes, drogleverans, och nukleinsyrakemi genom att skapa stora kombinatoriska bibliotek av kandidatmolekyler och sedan välja ut eller utveckla de bästa i laboratoriet. "Vårt arbete utvidgar samma princip till tvådimensionella nätverk av molekyler och skapar nu nya möjligheter för att tillverka mer komplexa molekylära enheter organiserade av DNA-nanostrukturer, " hon säger.

Uppsatsen har titeln "Programmerbar störning i slumpmässiga DNA-plattor."