Under det senaste decenniet har forskare har arbetat med att skapa nanoskala material och enheter som använder DNA som konstruktionsmaterial genom en process som kallas "DNA origami".

En enda lång "byggnads" DNA -sträng kan vikas till specifika former med hundratals kortare strängar, till exempel. Basordningen i varje kort sträng fungerar som en ritning som dikterar byggnads -DNA:s slutliga, 3D-form.

Forskare hoppas kunna använda denna metod för att utveckla molekylära enheter som fungerar som nanoskala-maskiner eller läkemedelsleveransanordningar, markörer för medicinsk bildbehandling eller biologisk forskning, och komponenter för elektroniska enheter.

Långa DNA -ställningar - består av mer än 10, 000 DNA -strukturella enheter som kallas "nukleotider" - har varit svåra att tillverka och manipulera, som hittills har begränsat storleken på origamistrukturer. Det har också visat sig svårt att studera 3D-strukturen för dessa nanopartiklar i deras naturliga, flexibelt tillstånd.

Nu, för första gången, ett team av forskare från Lawrence Berkeley National Lab (Berkeley Lab) och Ohio State University har genererat 3D-bilder från 129 individuella molekyler av flexibla DNA-origamipartiklar. Deras arbete ger den första experimentella verifieringen av den teoretiska modellen av DNA -origami.

De metoder som används här kan enkelt tillämpas på andra typer av tillverkade DNA -origamistrukturer, och hjälpa till att informera om design och optimering av framtida strukturer. Deras arbete publicerades nyligen i Naturkommunikation .

Forskargruppen fokuserade på DNA -strukturer modellerade efter en grundläggande mekanism som kallas "Bennett -koppling, "som är en 3D-struktur som består av en kedja med fyra stavar som är förbundna med gångjärn. Detta skapar en sned fyrkantig form där gångjärnen inte är parallella eller i linje. Använda Bennett-länkar som byggstenar, det är möjligt att skapa utbyggbart, användbara strukturer, som stöd för tält som snabbt kan monteras.

DNA origami strukturer är mycket utmanande att studera eftersom de är mycket flexibla och känsliga, och varje molekyl har en unik 3D-form. Denna variation gör konventionella avbildningsmetoder, som enpartikelkryo-elektronmikroskopi (kryo-EM), mindre lämplig. Cryo-EM innebär omfattande dator "medelvärde" från tusentals till hundratusentals liknande molekyler. Som ett resultat, information om de flexibla delarna av DNA -origamistrukturer kan lätt genomsnittas bort, ger en ofullständig bild av strukturen.

Forskarna förlitade sig på en teknik som utvecklats vid Berkeley Labs Molecular Foundry, en forskningsanläggning för nanoskala vetenskap, att avbilda de enskilda molekylerna som utgör dessa strukturer. Metoden, kallas individuell partikel elektron tomografi (IPET), tar bilder av en målmolekyl från flera betraktningsvinklar, och kombinerar sedan dessa bilder för att skapa en 3D, helmolekylåtergivning, liknande hur en medicinsk datortomografi (CT) skanning fungerar.

Forskare tog 129 3D-bilder, med en upplösning på 6 till 14 nanometer, som gjorde det möjligt för dem att reta ut information om dynamiken och flexibiliteten hos DNA origami -strukturer.

"Rekonstruktionerna bekräftade att Bennett -kopplingar har en hög grad av strukturell mångfald, "sa gänget" Gary "Ren, personalvetare vid Molecular Foundry's Imaging Facility och medledare för studien.

En geometrisk analys av dessa rekonstruktioner visar att Bennetts kopplingsmekanismer är i överensstämmelse med de teoretiska modellerna. När länkarna är nära sitt "öppna" tillstånd, "gångjärnet" är nästan helt utsträckt. När strukturerna är närmare sin "slutna" konformation, strukturerna tar olika former och är extremt flexibla och förvrängda.

"Baserat på dessa resultat och modellvisualiseringarna av Bennett -länkarna, vi kan föreslå en ny strategi för att förbättra vår kontroll över Bennett -kopplingar i stora DNA -ställningar, "sade Ren." Tillvägagångssättet inkluderar omformning av DNA -sekvenserna nära lederna för att styva strukturen och förhindra att den förvrängs nära denna led. "