Hur man skapar nanocages, dvs. robusta och stabila objekt med regelbundna tomrum och avstämbara egenskaper? Korta segment av DNA-molekyler är perfekta kandidater för den kontrollerbara designen av nya komplexa strukturer. Fysiker från universitetet i Wien, tekniska universitetet i Wien, Jülich Research Center i Tyskland och Cornell University i U.S.A., undersökte metoder för att syntetisera DNA-baserade dendrimerer i labbet och för att förutsäga deras beteende med hjälp av detaljerade datorsimuleringar. Deras resultat publiceras i Nanoskala .

Nanocages är mycket intressanta molekylära konstruktioner, ur såväl grundvetenskapens synvinkel som möjliga tillämpningar. Kaviteterna i dessa nanometerstora föremål kan användas som bärare av mindre molekyler, som är av avgörande betydelse inom medicin för läkemedels- eller genleverans i levande organismer. Denna idé samlade forskare från olika tvärvetenskapliga områden som har undersökt dendrimerer som lovande kandidater för att skapa sådana nanobärare. Deras trädliknande arkitektur och stegvisa tillväxt med upprepade självliknande enheter  resulterar i  dendrimerer som innehåller håligheter, ihåliga föremål med kontrollerbar design. Ändå, årtionden av forskning har visat att ett stort antal olika dendrimertyper upplever bakvikning av yttre grenar med växande dendrimergenerationer, ger upphov till en högre täthet av beståndsdelar i molekylens inre. Effekten av bakvikning förstärks vid tillsats av salt i lösningen, varvid flexibla dendrimerer genomgår betydande krympning, blir kompakta föremål utan ihåliga utrymmen i sitt inre.

Teamet av kollaboratörer bestod av Nataša Adžić och Christos Likos (University of Wien), Clemens Jochum och Gerhard Kahl (TU Wien), Emmanuel Stiakakis (Jülich) samt Thomas Derrien och Dan Luo (Cornell). Forskarna hittade ett sätt att skapa dendrimerer som är tillräckligt styva för att förhindra bakvikning av yttre armar även i fallet med generationer med hög förgrening, bevara regelbundna tomrum i deras inre. Dessutom, deras nya makromolekyler kännetecknas av anmärkningsvärd motståndskraft mot tillsatt salt:de visade att morfologin och konformationsegenskaperna hos dessa system förblir opåverkade även vid tillsats av salt även vid hög koncentration. Nanocages de skapade, i labbet och studerade beräkningsmässigt finns DNA-baserade dendrimerer, eller så kallade, dendrimerliknande DNA (DL-DNA). Byggstenen de är sammansatta av är en Y-formad dubbelsträngad DNA-enhet, en trearmad struktur bestående av dubbelsträngat DNA (ds-DNA), bildas via hybridisering av tre enkelsträngade DNA-kedjor (ss-DNA), var och en har delvis komplementära sekvenser till de andra två. Varje arm är uppbyggd av 13 baspar och en enkelsträngad klibbig ände med fyra nukleobaser som fungerar som ett lim. Medan ett enda Y-DNA motsvarar den första dendrimergenerationen, vidfästningen av ytterligare Y-DNA-element ger DL-DNA av högre generationer. Den resulterande dendrimeren är en laddad och ihålig makromolekylär sammansättning med trädliknande arkitektur. På grund av styvheten hos dsDNA, grenarna av DL-DNA är stela så att hela molekylen är stel. Eftersom DNA är laddat, den elektrostatiska repulsionen ökar molekylens styvhet.

DL-DNA molecules have been assembled in the laboratory by the Jülich and Cornell partners with remarkable control and sub-nanometer precision through programmable sticky-end cohesions. Their step-wise growth is highly controllable, unidirectional and non-reversible. This property is of high importance, as it has been shown that DNA-based dendrimers have been envisioned to play a promising role in developing nanoscale-barcodes, DNA-based vaccine technologies, as well as a structural probes involving multiplexed molecular sensing processes. Sizes, shapes as well as additional conformational details invisible to the experimentalists, such as the size of voids and the degree of branches back-folding, have been analyzed by computer simulations in Vienna. To describe the complex structure of DNA units, the group used a simple monomer-resolved model with interactions carefully chosen to mimic the equilibrium properties of DNA in physiological solution. The excellent agreement obtained between experiments and simulations for the dendrimer characteristics validates the theoretical models employed and paves the way for further investigation of the nanocages' properties and their applications as functional and smart nanocarriers and as building blocks for  engineering biocompatible artificial materials.