DNA, finns i nästan varje cell, används alltmer som byggmaterial för att konstruera små, men sofistikerade strukturer som autonoma "DNA-vandrare" som kan röra sig längs en mikropartikelyta, fluorescerande etiketter för diagnostiska tillämpningar, "DNA-lådor" som fungerar som smarta läkemedelsleveransfordon som är programmerade att öppna upp på sjukdomsplatser för att släppa ut sitt terapeutiska innehåll, eller programmerbara fabriker för nanopartiklar av definierade storlekar och former för nya optiska och elektroniska tillämpningar.

För att tillgodose dessa funktioner, forskare vid Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering och runt om i världen har utvecklat sätt som gör att DNA-strängar kan sammanfogas själv till allt mer komplexa 3-D-strukturer som byggnadsställningar DNA-origamis. DNA origamis, dock, är begränsade i sina storlekar eftersom de är beroende av tillgången på ställningssträngar som kan vara svåra att tillverka och manipulera. Under 2012, Peng Yin och hans team vid Wyss Institute presenterade en alternativ metod i Natur (2-D) och Vetenskap (3-D) som är baserad på DNA-tegelstenar, som inte använder en byggnadsställning utan snarare kan ansluta som sammankopplade Lego-klossar och därigenom självmontera till origami-stora strukturer med föreskrivna former.

Som rapporterats i Natur , teamet hoppade över sin teknik med två storleksordningar, gör det möjligt för nästa generations DNA-tegelstenar att självmontera till tredimensionella nanostrukturer som är 100 gånger mer komplexa än de som skapas med befintliga metoder. DNA-origami och första generationens DNA-tegel samlas själv från hundratals unika komponenter för att producera nanostrukturer på MegaDalton-skalan, Medan den nya DNA-tegelmetoden tillåter 10, 000 komponenter att självmontera till strukturer i GigaDalton-storlek (1 GigaDalton motsvarar 1000 MegaDalton eller 1 miljard Dalton). Studien ger användarvänliga beräkningsverktyg för att designa DNA-nanostrukturer med komplexa håligheter (och eventuellt ytor) som har potential att fungera som byggkomponenter i många nanotekniska tillämpningar inom medicin och teknik.

"Principen och de lovande egenskaperna hos våra första generationens DNA-tegelstenar fick oss att fråga om vi kan förbättra systemet för att uppnå betydligt mer komplexa nanostrukturer med mycket högre utbyte i en-kärlmonteringsreaktioner. Här lyckades vi göra allt detta. Vi arbetade ut en lättillgänglig praktisk plattform som tillåter forskare med väldigt olika intressen och tillämpningar i åtanke att skapa en molekylär duk med 10, 000 tegelstenar och använd den för att bygga nanostrukturer med oöverträffade komplexitet och potential, " sa motsvarande författare Yin, Ph.D., som är Wyss Institute Core Faculty-medlem, medledare för institutets Molecular Robotics Initiative, och professor i systembiologi vid Harvard Medical School.

DNA-tegelteknologin är baserad på DNA:s stabila och mycket programmerbara natur. En enkel DNA-tegel är en kort sträng av syntetiskt DNA som består av en fördefinierad sekvens av de fyra universella nukleotidbaserna:adenin (A), cytosin (C), guanin (G), och tymin (T). Wyss Institutes forskare skapar stora 3-D nanostrukturer genom att blanda olika tegelstenar, var och en bär sin egen unika sekvens av nukleotider som är utformad för att passa och binda till en kompletterande domän av nukleotidbaser i en annan tegelsten så att de kan montera sig själv. I teknikens nya version, genom att variera längden på enskilda bindningsdomäner inom tegelstenarna, teamet slutade med en avsevärt ökad mångfald bland möjliga tegelstenar som, dessutom, binda mycket starkare till varandra. Studien utvecklade också en användarvänlig datormjukvara så att designers helt enkelt kan mata in en önskad 3D-form och automatiskt få en lista med DNA-tegelsekvenser som kan syntetiseras och användas för att bilda den önskade strukturen.

"Vi demonstrerade vår tekniks kapacitet genom att konstruera massiva kuboider som innehåller upp till 30, 000 tegelstenar och visade några exemplariska former som kan byggas från delmängder av dessa tegelstenar. Det är anmärkningsvärt att tegelstenarna kunde skilja mellan tiotusentals potentiella partners för att hitta sina rätta grannar, och det var spännande att se att DNA-tegeltekniken kunde användas för att bilda ganska komplexa håligheter som en nallebjörn, ordet "KÄRLEK" eller en Möbiusremsa, bland många andra, " sa första författaren Luvena Ong, Ph.D., en före detta doktorand i Yins laboratorium och nu forskningsutredare vid Bristol-Myers Squibb.

Yins team samarbetade med forskare vid National Centre for Scientific Research (CNRS) och French National Institute of Health and Medical Research (INSERM) i Montpellier, Frankrike och Max Planck Institute of Biochemistry i München, Tyskland kommer att distribuera en samling av toppmoderna mikroskopimetoder för att visualisera de designade hålrummen i 3D-kuber. "Kavitetsstrukturer som består av DNA-tegelstenar är av stort intresse eftersom de erbjuder möjligheten att designa nanobehållare där biomolekyler som proteiner kan placeras i mycket definierade arrangemang för att studera deras interaktioner och utnyttja deras aktiviteter, " sa medkorrespondentförfattaren Yonggang Ke, Ph.D., som utvecklade den första DNA-tegelplattformen med Yin som postdoktor vid Wyss Institute, och är nu biträdande professor vid Georgia Institute of Technology och Emory University. Ke, arbetar tillsammans med sin doktorand Pengfei Wang, var avgörande för att utveckla tekniken till sin nya version. "Genom att lägga till funktionella delar till DNA -tegelstenar som kan utföra montering och enzymatiska processer, de kan omvandlas till kraftfulla verktyg för kommersiella och biomedicinska nanotillverkningsprocesser i ny skala, " sa Ke. Forskarna tror att, i framtiden, the method could also be used to generate large nanostructures with sculpted and application-specific outer surfaces.

"The way the multifaceted DNA bricks technology is evolving shows how the Wyss Institute's Molecular Robotics Initiative can reach deep into the field of DNA nanotechnology to enable new approaches that could solve many real world problems, " sa Wyss Institutes grundare Donald Ingber, M.D., Ph.D., who is also the Judah Folkman Professor of Vascular Biology at HMS and the Vascular Biology Program at Boston Children's Hospital, as well as Professor of Bioengineering at SEAS.