Nanokonstrukcja z zakrzywionym DNA

Nanotechnologia DNA wykorzystuje unikalne właściwości fizyczne cząsteczek DNA do projektowania i tworzenia struktur w nanoskali, z nadzieją, że pewnego dnia stworzą maleńkie maszyny, które będą ze sobą współpracować jak części komórki. Ale jednym z wyzwań w tej dziedzinie jest znalezienie sposobów projektowania i inżynierii struktur DNA z dużą precyzją. Ostatnie badanie opublikowane w Nauka oznacza przełom w zdolności naukowców do kształtowania DNA; opisuje sposób budowania trójwymiarowych kształtów DNA z wyszukanymi skrętami i krzywiznami z niespotykaną precyzją, opracowany przez naukowców z Harvardu i Politechniki w Monachium w Niemczech.

Naprawiono bieg: Nowa metoda projektowania trójwymiarowych kształtów z DNA umożliwia tworzenie zakrzywionych części, w tym tego koła zębatego w nanoskali z dwunastoma zębami.

Hao Yan , profesor biochemii na Uniwersytecie Stanowym Arizony, który nie był zaangażowany w badanie, mówi, że praca zapewnia kluczowy poziom kontroli nad poprzednimi metodami. Myślę, że można powiedzieć, że przy użyciu DNA można stworzyć dowolną architekturę – mówi.

Kluczową zaletą wykorzystania DNA jako materiału konstrukcyjnego jest możliwość programowania. Cząsteczki DNA składają się z ciągów połączonych zasad nukleotydowych czterech typów: A, T, G i C. Zasady te przyklejają się do zasad na innej nici DNA zgodnie z prostą zasadą: pary A z T i pary C z G. Tworząc Sekwencje DNA z komplementarnymi zasadami na różnych niciach, umożliwiają zatem zaprojektowanie cząsteczek DNA, które samoorganizują się w określone kształty zgodnie z przewidywalnymi regułami.

Poprzednie prace wykorzystywały metodę zwaną origami DNA do projektowania dwuwymiarowych kształtów z DNA; dalsze badania opierały się na tym podejściu do tworzenia kształtów w trzech wymiarach. Origami DNA wykorzystuje jedną bardzo długą nić DNA, zwaną rusztowaniem, i setki krótszych nici, zwanych zszywkami. Zszywki łączą się z rusztowaniem w określonych miejscach w oparciu o ich kolejność, ściskając rusztowanie i zmuszając je do wielokrotnego zwijania się, aby utworzyć arkusz o określonym kształcie.

ten Nauka Badanie rozszerza pracę tego samego zespołu naukowców, dostosowując metodę origami DNA do tworzenia bardziej złożonych trójwymiarowych kształtów. Wcześniej zespół zaprojektował DNA, aby utworzyć helisy połączone usieciowanymi pasmami zszywek w siatce przypominającej plaster miodu. W bieżących badaniach naukowcy wprowadzili do tych kształtów zagięcia i skręty, dodając lub usuwając podstawy w pewnych punktach rusztowania, zmieniając lokalne siły, jakie wywierają na siebie helisy i wymuszając zakrzywienie całej konstrukcji w prawo lub w lewo. Odkryli, że mogą kontrolować stopień krzywizny z dużą precyzją, osiągając ostre zagięcia podobne do tych, jakie występują w ciasno nawiniętym DNA znajdującym się w komórkach.

Naukowcy stworzyli obiekty, w tym przekładnie w nanoskali, szkieletową kapsułę w kształcie piłki plażowej oraz trójkąty o bokach wklęsłych lub wypukłych. Shawn Douglas , współautor z Uniwersytetu Harvarda, opracował publicznie dostępny program do projektowania wspomaganego komputerowo, który może służyć jako wizualny interfejs do projektowania kształtów DNA.

Zginalne cząsteczki: Wiązkę helis DNA (górny rząd) można wygiąć pod precyzyjnymi kątami (pozostałe rzędy) przez wprowadzenie lub usunięcie par zasad w sekwencji DNA.

William Shih , współautor badania i adiunkt chemii biologicznej i farmakologii molekularnej Harvard Medical School, twierdzi, że zdolność do tworzenia zakrzywionych struktur stanowi ważny element zestawu narzędzi nanonauki DNA. Wskazuje, że obiekty takie jak pierścienie, sprężyny i koła zębate są ważne dla maszyn w makroskali, podczas gdy komórki zawierają również elementy z zakrzywionymi częściami, co sugeruje, że te właściwości są ważne w nanoskali. Gdybyśmy nie mieli tej ogólnej zdolności do budowania, bylibyśmy upośledzeni w budowaniu użytecznych urządzeń, mówi.

Chengde Mao , profesor nadzwyczajny chemii analitycznej na Purdue University, nazywa to osiągnięcie zaskakującym i mówi, że jego własne laboratorium próbowało stworzyć podobne struktury i nie powiodło się. Mówi nie tylko, że praca pokazuje, że DNA można skręcać i wyginać do ekstremalnych stopni, ale jedną z fajnych rzeczy jest to, że jest to naprawdę gładka krzywa, podczas gdy inne próby zaowocowały kształtami, które są pikselowane.

Praktyczne zastosowania tej techniki są wciąż niejasne, ale możliwości jest wiele. Ponieważ kształty DNA opisane w Nauka papiery są wielkości przeciętnego wirusa, Shih mówi, że być może można je zaprojektować tak, aby wnikały do ​​komórki jak wirus i uwalniały lek. Części DNA mogą być również wykorzystywane do projektowania elektroniki molekularnej, która pewnego dnia może zaoferować nowy poziom miniaturyzacji szybszych komputerów.

Yan mówi, że badania zwiększają imponujące zdolności DNA, ale dodaje, że naukowcy muszą dalej badać te struktury, aby zobaczyć, jak stabilne są i jak dobrze utrzymują się w czasie.

ukryć