Ett team av forskare från ASU och Shanghai Jiao Tong University (SJTU) ledd av Hao Yan, ASU:s Milton Glick-professor vid School of Molecular Sciences, och chef för ASU Biodesign Institute's Center for Molecular Design and Biomimetics, har just meddelat skapandet av en ny typ av meta-DNA-strukturer som kommer att öppna upp områdena optoelektronik (inklusive informationslagring och kryptering) samt syntetisk biologi.

Denna forskning publicerades idag i Naturkemi – I själva verket kan konceptet för självmontering av meta-DNA totalt förändra den mikroskopiska världen av strukturell DNA-nanoteknik.

Det är allmänt känt att den förutsägbara naturen hos Watson-Crick basparning och de strukturella egenskaperna hos DNA har gjort att DNA kan användas som en mångsidig byggsten för att konstruera sofistikerade strukturer och enheter i nanoskala.

"En milstolpe inom DNA-teknik var verkligen uppfinningen av DNA-origami, där ett långt enkelsträngat DNA (ssDNA) viks till avsedda former med hjälp av hundratals korta DNA-stapelsträngar, ", förklarade Yan. "Men det har varit utmanande att sätta ihop större (mikron till millimeter) DNA-arkitekturer som fram till nyligen har begränsat användningen av DNA-origami. som är 1000 gånger större än de ursprungliga DNA-nanostrukturerna.

Ända sedan pryder omslaget av Vetenskap Magazine 2011 med sina eleganta DNA-origami nanostrukturer, Yan och medarbetare har arbetat outtröttligt, utnyttja inspiration från naturen, försöker lösa komplexa mänskliga problem.

"I den här aktuella forskningen utvecklade vi en mångsidig "meta-DNA" (M-DNA)-strategi som gjorde det möjligt för olika submikrometer- till mikrometerstora DNA-strukturer att självmontera på ett sätt som liknar hur enkla korta DNA-strängar sätter sig själv vid nivå på nanoskala, " sa Yan.

Gruppen visade att en 6-helix-bunt DNA-origami nanostruktur i submikrometerskalan (meta-DNA) kunde användas som en förstorad analog av enkelsträngat DNA (ssDNA), och att två meta-DNA som innehåller komplementära "meta-baspar" skulle kunna bilda dubbla helixar med programmerad handedness och spiralformade tonhöjder.

Med hjälp av meta-DNA byggstenar har de konstruerat en serie DNA-arkitekturer från submikrometer till mikrometerskala, inklusive meta-flerarmsknutpunkter, 3D-polyeder, och olika 2-D/3-D gitter. De visade också en hierarkisk strängförskjutningsreaktion på meta-DNA för att överföra de dynamiska egenskaperna hos DNA till meta-DNA.

Med hjälp av biträdande professor Petr Sulc (SMS) använde de en grovkornig beräkningsmodell av DNA:t för att simulera den dubbelsträngade M-DNA-strukturen och för att förstå de olika utbyten av vänsterhänta och högerhänta strukturer som erhölls .

Ytterligare, genom att bara ändra den lokala flexibiliteten för det individuella M-DNA:t och deras interaktioner, de kunde bygga en serie av sub-mikrometer eller mikron-skala DNA-strukturer från 1D till 3-D med en mängd olika geometriska former, inklusive meta-korsningar, meta-double crossover-plattor (M-DX), tetraeder, oktaedrar, prismor, och sex typer av tätt packade galler.

I framtiden, mer komplicerade kretsar, molekylära motorer, och nanoenheter skulle kunna designas rationellt med hjälp av M-DNA och användas i tillämpningar relaterade till biosensing och molekylär beräkning. Denna forskning kommer att göra skapandet av dynamiska mikronskaliga DNA-strukturer, som är omkonfigurerbara vid stimulering, betydligt mer genomförbart.

Författarna räknar med att införandet av denna M-DNA-strategi kommer att omvandla DNA-nanoteknik från nanometer till mikroskopisk skala. Detta kommer att skapa en rad komplexa statiska och dynamiska strukturer i submikrometer- och mikronskala som kommer att möjliggöra många nya tillämpningar.

Till exempel, dessa strukturer kan användas som en ställning för att mönstra komplexa funktionella komponenter som är större och mer komplexa än vad man tidigare trott var möjligt. Denna upptäckt kan också leda till mer sofistikerade och komplexa beteenden som efterliknar cell- eller cellulära komponenter med en kombination av olika M-DNA-baserade hierarkiska strängförskjutningsreaktioner.