När det gäller att matcha enkelhet med svindlande kreativ potential, DNA kan hålla priset. Byggd av ett alfabet med bara fyra nukleinsyror, DNA tillhandahåller den planritning från vilken allt jordiskt liv är uppbyggt.

Men DNA:s anmärkningsvärda mångsidighet slutar inte där. Forskare har lyckats locka segment av DNA till att utföra en mängd användbara knep. DNA -sekvenser kan bilda logiska kretsar för nanoelektroniska applikationer. De har använts för att utföra sofistikerade matematiska beräkningar, som att hitta den optimala vägen mellan flera städer. Och DNA är grunden för en ny ras av små robotar och nanomaskiner. Mäter tusentals gånger mindre än en bakterie, sådana enheter kan utföra en mängd uppgifter.

I ny forskning, Hao Yan från Arizona State University och hans kollegor beskriver en innovativ DNA -rollator, kan snabbt korsa ett förberett spår. Istället för långsam, preliminära steg över en yta, DNA -akrobatvagnen toppar över klackarna, täcker marken 10 till 100 gånger snabbare än tidigare enheter.

"Det är spännande att se att DNA -vandrare kan öka sin hastighet avsevärt genom att optimera DNA -stränglängd och sekvenser, samarbetet gjorde verkligen detta möjligt, "Sa Yan.

Yan är Milton D. Glick Distinguished Professor i kemi och biokemi vid ASU och chef för Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics.

Studien leddes av Nils G. Walter, Francis S. Collins kollegial professor i kemi, Biofysik och biologisk kemi, grundande chef för Single Molecule Analysis in Real-Time (SMART) Center och grundande meddirektör för Center for RNA Biomedicine vid University of Michigan, och hans team, tillsammans med medarbetare från Wyss Institute, Dana Farber Cancer Institute och Institutionen för biologisk kemi vid Harvard (alla i Boston, Massachusetts).

"Tricket var att få rollatorn att gå pladask, som är så mycket snabbare än hoppningen som användes tidigare - precis som du skulle se i en kung fu -actionfilm där hjälten rusar upp med vagn för att fånga skurken, säger Walter.

De förbättringar av hastighet och rörelse som den nya rullatorn visar bör uppmuntra till ytterligare innovationer inom DNA -nanoteknik.

Gruppens resultat visas i det avancerade online -numret av tidskriften Naturnanoteknik .

Bygga med DNA

Nanoarchitects bygger sina DNA -strukturer, motorer och kretsar med samma grundprincip som Nature. De fyra nukleotiderna, märkt A, T, C och G, binda till varandra enligt en enkel och förutsägbar regel:Cs parar alltid med Gs och parar som alltid med Ts. Således, varierande DNA-längder kan programmeras för självmontering, knäppa ihop för att bilda en obegränsad variation av två- och tredimensionella nanostrukturer. Med smart förfining, forskare har kunnat utrusta sina en gång statiska nano-skapelser med dynamiska egenskaper.

En av de mer innovativa tillämpningarna av DNA -nanoteknik har varit designen av robotvandringsenheter som består av DNA -trådar som successivt rör sig stegvis över en väg. Metoden som gör det möjligt för DNA -segment att promenera över ett definierat område kallas strängförskjutning.

Processen fungerar så här:Ett ben på robotanordningen är DNA -sträng 1, som är bunden till komplementär sträng 2, genom normal basparning. Del 1 innehåller ytterligare oparad sekvens som dinglar från dess ände, som är känt som tåhållaren.

Nästa, DNA -sträng 3 påträffas. Denna sträng är komplementär till DNA -sträng 1 och inkluderar en tåhållningssekvens som är komplementär till DNA -sträng 1. När tåhållet på sträng 3 binds med tåhållet på sträng 1, det börjar sekventiellt förskjuta varje sträng 2 nukleotid, en och en, tills sträng 2 har ersatts helt av sträng 3. Sträng 2 tar sedan avstånd från sträng 1 och processen kan börja om igen. (Se figur 1).

Toehold-medierad strängförskjutning, som utgör grunden för andra DNA -nanodatorer, tillåter DNA -strukturer att röra sig från ett komplementärt fotfäste på gångytan till nästa. As each DNA strand is displaced by a new strand, the nano-creature takes a step forward.

Race walking

Successful DNA walkers of various kinds have been designed and have demonstrated the ability to ferry nano-sized cargo from place to place. Tills nu, dock, the strand displacement reactions they rely on have been slow, generally requiring several minutes to move a short distance. This is much slower than naturally occurring processes in living systems like protein motors, which can perform feats of dissociation similar to strand displacement in much faster time frames.

While theoretical calculations suggest that individual operations by such nanodevices should occur in seconds or less, i praktiken, such operations typically require minutes or even hours. (A recently designed cargo-sorting walker for example required 5 minutes for each step, with foothold spacings just 6 nm apart. This speed was on a par with similar strand-displacement walkers.)

I den nya studien, researchers sought to optimize this process to see how quickly a walker designed with speed in mind could move. The limiting factor in terms of speed did not appear to be the strand displacement process itself, but rather the lack of fine-tuned optimization in the overall walker design.

The team redesigned their walker for maximum speed and used a fluorescent imaging technique known as smFRET (for single-molecule fluorescence resonance imaging transfer) to chart the DNA walker's progress and evaluate its subtle kinetic properties.

By altering the lengths of toehold sequences and branching migration points, the stepping rate could be keenly optimized, making for a briskly moving nanorobot that left competitors in the dust, boasting stepping rates a full order of magnitude faster than previous DNA walkers.

Freewheeling nanorobot

Part of the robot's advantage over its competitors is due to its unusual technique of locomotion. Rather than simply stepping from one surface foothold to the next, the acrobatic walker moves head over heels in a cartwheel fashion, while remaining securely bound to at least one foothold at all times.

The stability of the double-stranded sequences anchoring the base of the robot to the track surface, while the free toehold searches out the next complementary sequence, may be one factor improving the walker's speed. The cartwheeling design also allows strand displacement to sequentially proceed in a direction away from the foothold surface, which improves efficiency.

Once the walker was optimized, super-resolved single particle tracking was used to observe the device's movement over a 2-D surface studded with footholds for the walker, covering a range of up to 2 microns. The best walker optimized in the study was able to search ~43 foothold sites per minute with a stepping distance of ~ 10nm. Strand displacement occurred at rates of about a tenth of a second. Analysis suggests the device can take hundreds of steps without dissociating.

Future steps

While still lagging behind naturally occurring protein reactions, the optimized cartwheeling walker offers a marked advancement in performance, representing an order of magnitude improvement over earlier versions, while not consuming any fuel. Borrowing further insights from natural systems may allow dynamical DNA devices like the walker to accelerate even more in the future by converting chemical energy into directed speed.

The study underlines the opportunities for optimization of a range of DNA nanostructures, considerably enhancing their speed and versatility.