Flera komplementära DNA-strängar kan termiskt hybridiseras till önskade enheter för att konstruera DNA-nanostrukturer. I en ny studie som nu publicerats i Nature Nanotechnology , Caroline Rossi-Gendron och ett team av forskare inom kemi, materialvetenskap och biologi i Frankrike och Japan använde en magnesiumfri buffert innehållande natriumklorid, komplexa cocktails av DNA-strängar och proteiner för att självmontera isotermiskt vid rumstemperatur eller fysiologisk temperatur i användardefinierade nanostrukturer inklusive nanogrids, DNA-origami och enkelsträngade plattor.
Denna självmontering förlitade sig på termodynamik och fortsatte genom flera vikningsvägar för att skapa mycket konfigurerbara nanostrukturer. Metoden gjorde det möjligt att själv välja den mest stabila formen i en stor pool av konkurrerande DNA-strängar. Intressant nog kan DNA-origami skifta isotermiskt från en initialt stabil form till en radikalt annorlunda genom ett utbyte av konstitutiva stapelsträngar. Detta utökade samlingen av former och funktioner erhållna via isotermisk självmontering för att skapa grunden för adaptiva nanomaskiner och underlätta evolutionär upptäckt av nanostruktur.
Självmontering sker när naturligt förekommande eller rationellt utformade enheter kan bädda in nödvändig information för att spontant interagera och självorganisera i funktionella överbyggnader av intresse. Vanligtvis resulterar syntetiska självmonterade material från organisationen av en upprepad enstaka komponent för att skapa en stabil supramolekylär sammansättning innehållande miceller eller kolloidala kristaller med en föreskriven uppsättning användbara egenskaper. Sådana konstruktioner har begränsad omkonfigurerbarhet, vilket gör det mycket utmanande att producera de önskade strukturerna.
Strukturell DNA-nanoteknologi utforskar den sekvensberoende basparningsprincipen mellan syntetiska DNA-enkelsträngar för att övervinna denna utmaning och sätta ihop olika och utarbetade överbyggnader av en avsedd form, storlek och funktionell specificitet i stor skala med en rad tillämpningar. Flerkomponentstrukturer härrör vanligtvis från en termisk hybridiseringsprocess, där DNA-blandningen värms över sin smälttemperatur till en början och kyls ned långsamt för att undvika kinetiska fällor och säkerställa sekvensspecifik DNA-hybridisering.
Termisk glödgning kan hindra möjligheten till spontan nanostrukturbildning under fasta förhållanden. I detta arbete beskrev Rossi-Gendron och kollegor därför att den huvudsakliga metoden för strukturell DNA-nanoteknik beror på samma princip för generisk isotermisk DNA-självmontering för att skapa användardefinierade utarbetade DNA-nanostrukturer som DNA-origami och DNA-nanogrid. Forskargruppen studerade den strukturella komplexiteten hos DNA-origamidesigner och självupprepande nanogrid med hjälp av atomkraftsmikroskopi för att avslöja mångfalden av vikningsvägar i självmonterande 2D-origamiformer.
DNA-origami via självmontering i natriumklorid
Teamet genomförde en serie experiment i en termodynamiskt reglerad isotermisk självmonteringsmiljö för att slutföra formtransformation. De åstadkom detta genom att sätta ihop en DNA-origamiblandning utan termisk förbehandling och inkuberade konstruktionerna i flera timmar i en konventionell buffert. Som observerats tidigare, oberoende av inkubationstiden, visade resultaten inte bildandet av korrekt formade föremål.
Teamet valde en alternativ buffert kompletterad med monovalenta salter för att främja stapelväxling och omkonfigurering för att notera den anmärkningsvärda bildningen av korrekt vikta skarpa trianglar vid rumstemperatur inom några timmar. Dessa resultat var konsekventa över mellanliggande saltkoncentrationer. Forskarna visade hur isotermisk självmontering i buffert kunde drivas elektrostatiskt för att generera en mängd olika anpassade nanostrukturer under ett brett temperaturfönster.
De utforskade konceptet för den isotermiska självmonteringen av 3D-origami för att belysa möjligheten till spontan självmontering vid rums- eller kroppstemperatur utan termisk förbehandling för att skapa en mängd olika morfologier för att exemplifiera mångsidigheten i självmontering. Ändå framhävde det mycket låga utbytet av konstruktionerna dess nuvarande begränsning som kan övervinnas genom att optimera nanostrukturdesignen.
Rossi-Gendron och kollegor studerade vidare mekanismerna för isotermisk självmontering genom att ta fram en metod för att följa vikningsvägen för 2D DNA-origami i realtid. Arbetet visade att uppnåendet av jämviktsstrukturen för en enskild origami inte berodde på en specifik vikningsbana, utan förlitade sig på flera banor, tills den nådde måljämviktsformen.
Delvis vikta strukturer visade olika initiala vikningslägen för att antyda att flera vikningsbanor inte förlitade sig på ytassisterad självmontering. Resultaten drar slutsatsen att isotermisk origamibildning är en termodynamiskt reglerad process där strukturerna nådde ett jämviktstillstånd via självmontering. Efter att ha exponerat origamiformerna för en uppsättning konkurrenskraftiga häftklamrar, noterade teamet hur självmonteringen ledde till spontan utveckling från origamiform till en dramatiskt annorlunda stabil konstruktion för att skapa ett termodynamiskt gynnat formskiftande resultat.
På detta sätt använde Rossi-Gendron och kollegor en generisk saltlösningsbuffert och en mycket multikomponentblandning av DNA-strängar för att spontant självmontera vid konstant temperatur över en rad temperaturer för att bilda korrekt formade föremål som origamis eller DNA-nanogrid. De uppnådde dessa resultat vid rumstemperatur för stegvis termodynamiskt driven självmontering. Resultaten visade på möjligheten för dynamiska funktioner i omgivande miljöer och levande system med fasta temperaturer för upptäckt av nanostrukturer med hjälp av stora bibliotek av DNA-komponenter.
Mer information: Caroline Rossi-Gendron et al, Isotermisk självmontering av multikomponent- och evolutionära DNA-nanostrukturer, Naturnanoteknologi (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01468-2
Paul W. K. Rothemund, Vikning av DNA för att skapa former och mönster i nanoskala, Nature (2006). DOI:10.1038/nature04586
Journalinformation: Nanoteknik , Natur
© 2023 Science X Network
