Precis som ångmaskinen satte scenen för den industriella revolutionen, och mikrotransistorer utlöste den digitala tidsåldern, enheter i nanoskala gjorda av DNA öppnar upp en ny era inom biomedicinsk forskning och materialvetenskap.

Journalen Vetenskap beskriver den framväxande användningen av DNA-mekaniska anordningar i en "Perspektiv"-artikel av Khalid Salaita, en professor i kemi vid Emory University, och Aaron Blanchard, en doktorand vid Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering, ett gemensamt program för Georgia Institute of Technology och Emory.

Artikeln förebådar ett nytt fält, som Blanchard kallade "DNA-mekanoteknik, "att konstruera DNA-maskiner som genererar, överföra och känna av mekaniska krafter på nanoskala.

"Under en lång tid, "Salaita säger, "Forskare har varit bra på att tillverka mikroenheter, hundratals gånger mindre än bredden på ett människohår. Det har varit mer utmanande att göra funktionella nanoenheter, tusentals gånger mindre än så. Men att använda DNA som beståndsdelar gör det möjligt att bygga extremt utarbetade nanoenheter eftersom DNA-delarna monteras själv."

DNA, eller deoxiribonukleinsyra, lagrar och överför genetisk information som en kod som består av fyra kemiska baser:adenin (A), guanin (G), cytosin (C) och tymin (T). DNA-baserna har en naturlig affinitet att paras ihop med varandra – A med T och C med G. Syntetiska DNA-strängar kan kombineras med naturliga DNA-strängar från bakteriofager. Genom att flytta runt bokstäverna på strängarna, forskare kan få DNA-strängarna att binda samman på sätt som skapar olika former. Styvheten hos DNA-strängar kan också enkelt justeras, så de förblir raka som en bit torr spagetti eller böjs och rullas ihop som kokt spagetti.

Tanken på att använda DNA som byggmaterial går tillbaka till 1980-talet, när biokemisten Nadrian Seeman var pionjär inom DNA-nanoteknik. Detta fält använder strängar DNA för att göra funktionella enheter på nanoskala. Förmågan att göra dessa exakta, tredimensionella strukturer började som en nyhet, smeknamnet DNA origami, resulterar i föremål som en mikroskopisk karta över världen och, på senare tid, det minsta spelet någonsin med tic-tac-toe, spelas på en DNA-tavla.

Arbetet med nya föremål fortsätter att ge nya insikter om DNA:s mekaniska egenskaper. Dessa insikter driver förmågan att tillverka DNA-maskiner som genererar, överföra och känna av mekaniska krafter.

"Om du sätter ihop dessa tre huvudkomponenter i mekaniska enheter, du börjar få hammare och kuggar och hjul och du kan börja bygga nanomaskiner, " Salaita säger. "DNA-mekanoteknik utökar möjligheterna för forskning som involverar biomedicin och materialvetenskap. Det är som att upptäcka en ny kontinent och öppna upp nytt territorium att utforska."

Potentiella användningsområden för sådana enheter inkluderar läkemedelstillförselanordningar i form av nanokapslar som öppnas när de når en målplats, nanodatorer och nanorobotar som arbetar på löpande band i nanoskala.

Användningen av DNA-självmontering av genomikindustrin, för biomedicinsk forskning och diagnostik, driver DNA-mekanoteknik ytterligare, gör DNA-syntes billig och lättillgänglig. "Potentiellt kan vem som helst drömma om en nanomaskindesign och göra den till verklighet, säger Salaita.

Han ger exemplet att skapa en nanosax. "Du vet att du behöver två styva stavar och att de måste kopplas samman med en svängmekanism, " säger han. "Genom att mixtra med någon mjukvara med öppen källkod, du kan skapa den här designen och sedan gå in på en dator och lägga en beställning för att anpassa din design. Du får din beställning i en tub. Du lägger helt enkelt rörets innehåll i en lösning, låt din enhet självmontera, och använd sedan ett mikroskop för att se om det fungerar som du trodde att det skulle göra."

Salaitas labb är ett av endast cirka 100 runt om i världen som arbetar i framkanten av DNA-mekanoteknik. Han och Blanchard utvecklade världens starkaste syntetiska DNA-baserade motor, som nyligen rapporterades i Nano Letters.

Ett nyckelfokus i Salaitas forskning är att kartlägga och mäta hur celler trycker och drar för att lära sig mer om de mekaniska krafterna som är involverade i det mänskliga immunsystemet.

Salaita utvecklade de första DNA-kraftmätarna för celler, ger den första detaljerade bilden av de mekaniska krafter som en molekyl applicerar på en annan molekyl över hela ytan av en levande cell. Kartläggning av sådana krafter kan hjälpa till att diagnostisera och behandla sjukdomar relaterade till cellmekanik. Cancerceller, till exempel, rör sig annorlunda än normala celler, och det är oklart om den skillnaden är en orsak eller en effekt av sjukdomen.

2016, Salaita använde dessa DNA-kraftmätare för att ge det första direkta beviset för de mekaniska krafterna hos T-celler, immunsystemets säkerhetsvakter. Hans labb visade hur T-celler använder ett slags mekaniskt "handslag" eller ryck för att testa om en cell de möter är en vän eller fiende. Dessa mekaniska bogserbåtar är centrala för en T-cells beslut om huruvida ett immunsvar ska startas.

"Ditt blod innehåller miljontals olika typer av T-celler, och varje T-cell utvecklas för att detektera en viss patogen eller främmande agent, ” Salaita förklarar. ”T-celler finnas ständigt provtagning celler genom hela din kropp genom att använda dessa mekaniska bogserbåtar. De binder och drar på sig proteiner på en cells yta och, om bandet är starkt, det är en signal om att T-cellen har hittat en främmande agent."

Salaitas labb byggde på denna upptäckt i en tidning som nyligen publicerades i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) . Arbete ledd av Emory-kemistudenten Rong Ma förfinade känsligheten hos DNA-kraftmätarna. Inte bara kan de upptäcka dessa mekaniska drag med en kraft som är så liten att den är nästan en miljarddel av vikten av ett gem, de kan också fånga bevis på bogserbåtar så korta som ett ögonblick.

Forskningen ger en aldrig tidigare skådad titt på de mekaniska krafterna som är involverade i immunsystemet. "Vi visade att förutom att utvecklas för att upptäcka vissa främmande agenter, T-celler kommer också att använda mycket korta mekaniska drag på främmande medel som nästan matchar, "Salaita säger. "Frekvensen och varaktigheten av bogserbåten beror på hur nära det främmande ämnet är matchat med T-cellsreceptorn."

Resultatet ger ett verktyg för att förutsäga hur starkt av ett immunsvar en T-cell kommer att växa. "Vi hoppas att detta verktyg så småningom kan användas för att finjustera immunterapier för enskilda cancerpatienter, "Salaita säger. "Det kan potentiellt hjälpa ingenjör T-celler att gå efter särskilda cancerceller."