Det centrala målet för nanoteknik är manipulering av material i atomär eller molekylär skala, speciellt för att bygga mikroskopiska enheter eller strukturer. Tredimensionella burar är ett av de viktigaste målen, både för deras enkelhet och deras tillämpning som läkemedelsbärare för medicin. DNA-nanoteknik använder DNA-molekyler som programmerbara "Legos" för att montera strukturer med en kontroll som inte är möjlig med andra molekyler.

Dock, DNA:s struktur är mycket enkel och saknar mångfalden av proteiner som utgör de flesta naturliga burar, som virus. Tyvärr, det är mycket svårt att kontrollera sammansättningen av proteiner med precisionen av DNA. Det är, tills nyligen. Nicholas Stephanopoulos - en biträdande professor vid Arizona State Universitys Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics, och School of Molecular Sciences - och hans team byggde en bur konstruerad av både protein- och DNA-byggstenar genom användning av kovalenta protein-DNA-konjugat.

I en tidning publicerad i ACS Nano , Stephanopoulos modifierade ett homotrimert protein (ett naturligt enzym som kallas KDPG aldolas) med tre identiska enkelsträngade DNA-handtag genom att funktionalisera en reaktiv cysteinrest som de introducerade på proteinytan. Detta protein-DNA "Lego" sattes ihop med en triangulär DNA-struktur som bär tre komplementära armar till handtagen, vilket resulterar i tetraedriska burar som består av sex DNA-sidor som täcks av proteintrimeren. Burens dimensioner kunde ställas in genom antalet varv per DNA-arm och hybridstrukturerna renades och karakteriserades för att bekräfta den tredimensionella strukturen.

Burar modifierades också med DNA med hjälp av klickkemi, som är en anpassad typ av kemi, att skapa element snabbt med stor tillförlitlighet genom att sammanfoga mikroskopiska enheter som visar metodens allmängiltighet.

"Mitt labbs tillvägagångssätt kommer att möjliggöra konstruktion av nanomaterial som har fördelarna med både protein- och DNA-nanoteknik, och hitta applikationer inom områden som riktad leverans, strukturell biologi, biomedicin, och katalytiska material, " sa Stephanopoulos.

Stephanopoulos och hans team ser en möjlighet med hybridburar – sammanslagning av självmonterande proteinbyggstenar med en syntetisk DNA-ställning – som kan kombinera bioaktiviteten och den kemiska mångfalden hos den förra med programmerbarheten hos den senare. Och det är vad de tänkte skapa - en hybridstruktur konstruerad genom kemisk konjugering av oligonukleotid (en syntetisk DNA-sträng) handtag på en proteinbyggsten. Den triangulära basen som bär tre komplementära enkelsträngade DNA-handtag är självmonterad och renad separat genom att värma den för att ändra dess egenskaper.

"Vi resonerade att genom att designa dessa två renade byggstenar, de skulle spontant knäppa ihop på ett programmerbart sätt, genom att använda DNA-handtagens igenkänningsegenskaper, Stephanopoulos sa. "Det var särskilt viktigt att använda ett mycket termiskt stabilt protein som detta aldolas, eftersom denna självmontering bara fungerar vid 55 grader Celsius, och många proteiner faller sönder vid dessa temperaturer."

En annan fördel med DNA, vilket inte är möjligt med proteiner, justerar burstorleken utan att behöva designa om alla komponenter. Stephanopoulos fortsatte, "Storleken på denna sammansättning kan sedan rationellt justeras genom att ändra längden på varje DNA-kant, medan proteinet skulle utgöra en ställning för att fästa små molekyler, inriktning på peptider eller till och med fusionsproteiner."

Medan andra exempel på hybridstrukturer finns, den här speciella buren är den första som konstruerats genom kemisk konjugering av oligonukleotidhandtag på en proteinbyggsten. Denna strategi kan i princip utökas till ett brett spektrum av proteiner (vissa med förmåga att rikta in sig på cancer, till exempel). Således, Stephanopoulos arbete har potential att möjliggöra ett helt nytt hybridområde av protein-DNA-nanoteknik med tillämpningar som inte är möjliga med vare sig proteiner eller enbart DNA.