Flytta över Mona Lisa, här kommer tic-tac-toe.

Det var bara för ungefär ett år sedan som Caltech-forskare i Lulu Qians laboratorium, biträdande professor i bioteknik, meddelade att de hade använt en teknik som kallas DNA-origami för att skapa plattor som kan designas för att självmontera till större nanostrukturer som bär fördesignade mönster. De valde att göra världens minsta version av den ikoniska Mona Lisa.

bedriften var imponerande, men tekniken hade en begränsning liknande den för Leonardo da Vincis oljefärger:När bilden väl skapades, det kunde inte lätt ändras.

Nu, Caltech-teamet har tagit ytterligare ett steg framåt med tekniken. De har skapat nya brickor som är mer dynamiska, tillåta forskarna att omforma redan byggda DNA-strukturer. När Caltechs Paul Rothemund (BS '94) var pionjär för DNA-origami för mer än ett decennium sedan, han använde tekniken för att bygga en smiley. Qians team kan nu vända det leendet till en rynka pannan, och då, om de vill, vänd pannan upp och ner. Och de har gått ännu längre, skapa ett mikroskopiskt spel där spelarna placerar sina X och O genom att lägga till speciella DNA-brickor på brädet.

"Vi utvecklade en mekanism för att programmera de dynamiska interaktionerna mellan komplexa DNA-nanostrukturer, " säger Qian. "Med den här mekanismen, vi skapade världens minsta spelbräde för att spela tic-tac-toe, där varje rörelse involverar molekylär självrekonfiguration för att byta in och ut hundratals DNA-strängar samtidigt."

Att sätta ihop bitarna

Den bytesmekanismen kombinerar två tidigare utvecklade DNA-nanoteknologier. Den använder byggstenarna från den ena och det allmänna konceptet från den andra:självmonterande plattor, som användes för att skapa den lilla Mona Lisa; och strängförskjutning, som har använts av Qians team för att bygga DNA-robotar.

Båda teknologierna använder sig av DNA:s förmåga att programmeras genom arrangemanget av dess molekyler. Varje DNA-sträng består av en ryggrad och fyra typer av molekyler som kallas baser. Dessa baser - adenin, guanin, cytosin, och tymin, förkortas som A, T, C, och G—kan ordnas i valfri ordning, med ordningen som representerar information som kan användas av celler, eller i det här fallet av konstruerade nanomaskiner.

Den andra egenskapen hos DNA som gör det användbart för att bygga nanostrukturer är att A, T, C, och G-baser har en naturlig tendens att para ihop sig med sina motsvarigheter. A-basen parar sig med T, och C parar med G. I förlängningen, vilken sekvens av baser som helst kommer att vilja para ihop med en komplementär sekvens. Till exempel, ATTAGCA kommer att vilja para ihop med TAATCGT.

Dock, en sekvens kan också paras ihop med en delvis matchande sekvens. Om ATTAGCA och TAATACC sattes ihop, deras ATTA- och TAAT-portioner skulle paras ihop, och de icke-matchande delarna skulle dingla från ändarna. Ju närmare två trådar kompletterar varandra, ju mer attraherade de är av varandra, och ju starkare de binder.

För att föreställa dig vad som händer vid strängförskjutning, föreställ dig två personer som dejtar och har flera saker gemensamt. Amy gillar hundar, vandring, filmer, och gå till stranden. Adam gillar hundar, vandring, och vinprovning. De binder samman över sitt gemensamma intresse för hundar och vandring. Sedan kommer en annan person in i bilden. Eddie råkar gilla hundar, vandring, filmer, och bowling. Amy inser att hon har tre saker gemensamt med Eddie, och bara två gemensamma med Adam. Amy och Eddie finner sig starkt attraherade av varandra, och Adam blir dumpad - som en förskjuten DNA-sträng.

Den andra tekniken, självmonterande plattor, är enklare att förklara. Väsentligen, plattorna, även om alla är kvadratiska till formen, är designade för att bete sig som pusselbitarna. Varje bricka har sin egen plats i den sammansatta bilden, och det passar bara på den platsen.

När de skapar sin nya teknik, Qians team genomsyrade självmonterande plattor med förskjutningsförmåga. Resultatet är brickor som kan hitta sin avsedda plats i en struktur och sedan sparka ut brickan som redan upptar den positionen. Medan Eddie bara var knuten till en person, orsakar att en annan blir sparkad till trottoarkanten, brickorna är mer som ett adoptivbarn som knyter an så starkt till en ny familj att de tar titeln "favorit" från biologiska avkommor.

"I det här arbetet, vi uppfann mekanismen för kakelförskjutning, som följer den abstrakta principen om strängförskjutning men sker i en större skala mellan DNA-origamistrukturer, " säger Qians tidigare doktorand Philip Petersen (Ph.D. '18), huvudförfattare till studien. "Detta är den första mekanismen som kan användas för att programmera dynamiska beteenden i system med flera interagerande DNA-origamistrukturer."

Låt oss spela

För att få igång tic-tac-toe-spelet, Qians team blandade ihop en lösning av blanka plattor i ett provrör. När brädet väl satt ihop sig, spelarna turades om att lägga till antingen X-brickor eller O-brickor till lösningen. På grund av den programmerbara naturen hos DNA de är gjorda av, brickorna designades för att glida in på specifika ställen på brädan, ersätta de tomma plattorna som hade funnits där. En X-bricka kan utformas för att bara glida in i det nedre vänstra hörnet av brädan, till exempel. Spelare kunde sätta ett X eller och O på vilken tom plats de ville genom att använda brickor designade för att gå dit de ville. Efter sex dagar av fängslande spel, spelare X gick ut som segrare.

Självklart, inga föräldrar kommer att rusa ut för att köpa sina barn ett tick-tac-toe-spel som tar nästan en vecka att spela, men tic-tac-toe är inte riktigt poängen, säger Grigory Tikhomirov, senior postdoktor och medförfattare till studien. Målet är att använda tekniken för att utveckla nanomaskiner som kan modifieras eller repareras efter att de redan har byggts.

"När du får punktering, du kommer förmodligen bara att byta ut den istället för att köpa en ny bil. En sådan manuell reparation är inte möjlig för maskiner i nanoskala, " säger han. "Men med den här brickförskjutningsprocessen upptäckte vi, det blir möjligt att ersätta och uppgradera flera delar av konstruerade maskiner i nanoskala för att göra dem mer effektiva och sofistikerade."

Deras papper, med titeln "Informationsbaserad autonom omkonfiguration i system av interagerande DNA-nanostrukturer, " visas i numret av 18 december Naturkommunikation .