De opkomst van vorm: studie verbreedt de horizon voor DNA-nanotechnologie

In de wereld van biomoleculen is niets iconischer of veelzijdiger dan DNA. De natuur gebruikt de beroemde dubbele helix om de blauwdrukken van alle levende vormen op te slaan, op basis van een vierletterig alfabet van nucleotiden.

Onderzoekers op het gebied van DNA-nanotechnologie hebben zich laten inspireren door de schijnbaar onuitputtelijke verscheidenheid aan levende vormen die de natuur heeft gevormd uit deze genetische grondstof. Het veld probeert de creatieve onderneming van de natuur na te bootsen en zelfs de mogelijkheden van DNA-architectuur uit te breiden die verder gaan dan wat de natuur heeft gecreëerd.

In een nieuwe studie onderzoeken Hao Yan en zijn collega’s Nicholas Stephanopoulos en Petr Sulc een basisbouwsteen die wordt gebruikt bij de fabricage van veel DNA-nanovormen. Deze verbinding van twee segmenten van dubbelstrengs DNA, bekend als een Holliday-knooppunt, is gebruikt om uitgebreide, zelfassemblerende kristalroosters te vormen op nanometerschaal (of ongeveer 1/75.000ste van de breedte van een mensenhaar).

De structuren ontlenen hun naam aan moleculair bioloog Robin Holliday, die voor het eerst hun bestaan ​​voorstelde in 1964. Holliday-knooppunten spelen een essentiële rol in de natuur, waar ze betrokken zijn bij een proces dat bekend staat als homologe recombinatie, een drijvende kracht achter het genereren van nieuwe genetische variatie in het leven. dingen.

Sinds het begin van DNA-nanotechnologie heeft het veld opmerkelijke vooruitgang geboekt, met behulp van DNA-componenten om kleine structuren van ingewikkelde schoonheid te ontwerpen, evenals apparaten op nanoschaal waarvan de toepassingen betrekking hebben op velden die zo gevarieerd zijn als fotonica, computeropslag, biosensing en weefselregeneratie.

Yan heeft een voortrekkersrol gespeeld bij de snelle transformaties van het veld en heeft talloze nuttige nano-architecturale vormen ontworpen, van karrenraderende nanorobots en DNA-spinnen tot kankerbestrijdende zoek-en-vernietig-apparaten.

De nieuwe studie maakt gebruik van kristallografietechnieken om de kenmerken van 36 basisvarianten van de Holliday-junctie te beschrijven. De resultaten laten zien dat de effectiviteit van een gegeven Holliday-junctie voor de constructie van kristallijne nano-architecturen niet alleen gevoelig afhankelijk is van de rangschikking van de vier nucleotideparen die de junctie vormen, maar ook van sequenties die de vier uitstekende armen van de junctie vormen. Sommige DNA-sequenties werken om het kristallisatieproces van deze vormen te verbeteren, terwijl zes van de 36 Holliday-junctievarianten als “fataal” werden beschouwd omdat ze geen kristallen konden vormen.

Yan leidt het Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics en bekleedt het Milton D. Glick Distinguished Professorship in ASU’s School of Molecular Sciences. Stephanopoulos en Sulc zijn ook faculteitsleden in het centrum en op school.

De onderzoeksresultaten, die de eerste systematische studie van vakantieknooppunten vertegenwoordigen, zijn onlangs in het tijdschrift verschenen Natuurcommunicatie.

DNA blijkt een ideaal materiaal te zijn om structuren op nanoschaal mee te ontwerpen en te fabriceren. De consistente en voorspelbare aard van basenparing tussen de vier nucleotiden van DNA zorgt ervoor dat correct gemanipuleerde vormen op betrouwbare wijze zichzelf zullen assembleren tot gewenste structuren. Hiertoe zijn verschillende ingewikkelde nanovormen geconstrueerd met behulp van fundamentele DNA-bouwstenen, waarvan een van de meest populaire en bruikbare de Holliday-junctie is. DNA-kristallen die zijn samengesteld uit herhalende structurele eenheden zijn belangrijke ingrediënten voor nanotechnologietoepassingen, waardoor veelzijdige en schaalbare ontwerpkenmerken mogelijk zijn.

Holliday-knooppunten worden in de natuur waargenomen als een tussenstadium tijdens het proces van celmeiose. Het resultaat van deze transformatie is een uitwisseling van genen tussen moederlijke en vaderlijke chromosomen. Dit proces, bekend als homologe recombinatie, vindt plaats in vier fasen. (Zie afbeelding hierboven.)

Ten eerste zitten een paar dubbelstrengs DNA-helices naast elkaar. Een enzym dat bekend staat als een endonuclease veroorzaakt dan een enkelstrengs breuk in elk van de twee dubbele strengen. De volgende stap, bekend als strenginvasie, vindt plaats wanneer de vrije uiteinden van elke enkelstrengige breuk samenkomen, waardoor de oorspronkelijk afzonderlijke dubbele strengen met elkaar verstrengeld raken.

Deze kruisvormige structuur, die de twee afzonderlijke dubbele DNA-strengen met elkaar verbindt, is de Holliday-junctie. In biologische processen wordt de junctie dan “opgelost” wanneer een ander enzym de Holliday-junctie op twee manieren doorsnijdt, beide resulterend in twee afzonderlijke DNA-strengen, die verschillen van de oorspronkelijke strengen omdat de Holliday-junctie nieuwe DNA-segmenten in de twee heeft geïntroduceerd. DNA dubbele strengen.

Deze vorm van DNA-recombinatie is een universele biologische gebeurtenis van groot belang. Het werkt tegelijkertijd om de integriteit van het genoom te behouden door middel van mechanismen van DNA-herstel, terwijl het nieuwe variabiliteit genereert, zonder welke organismen snel een evolutionair doodlopende weg zouden bereiken. De sleutelstructuur in het schuifelen van het DNA-deck tijdens celdeling is de Holliday-junctie.

Later werd opgemerkt dat het Holliday-knooppuntmotief zou kunnen worden gebruikt als een krachtige bouwsteen voor een groot aantal kunstmatige DNA-structuren. Hoewel de Holliday-knooppunten die optreden tijdens celdeling langs de DNA-lengte kunnen glijden, in een proces dat bekend staat als vertakkingsmigratie, worden de kruispunten die worden gebruikt voor het construeren van DNA-nanostructuren geïmmobiliseerd omdat de sequenties die ze flankeren niet complementair zijn.

“De eerste onbeweeglijke Holliday-junctie werd beschreven in 1982 en deze sequentie is sindsdien uitsluitend gebruikt in zelfassemblerende DNA-kristallen”, zegt Chad Simmons, eerste auteur van het artikel en de hoofdwetenschapper die röntgenkristallografie toepast voor deze studie. “Ons werk probeerde dit paradigma te veranderen door de 35 andere mogelijke onbeweeglijke kruispunten te onderzoeken. Als resultaat waren we in staat om verschillende sequenties te identificeren die superieure prestaties opleverden in vergelijking met hun voorgangers in termen van hun vermogen om robuust te kristalliseren en te buigen naar hoge resolutie, en die het mogelijk maakte om de symmetrie van de roosteropstelling te beheersen.

“Dit vereiste een uitputtende inspanning die 134 nieuwe kristalstructuren opleverde, en we zijn erg verheugd om een ​​uitgebreide toolbox van sequentiecombinaties te delen om het ontwerp en de constructie van toekomstige zelf-assemblerende DNA-kristalsystemen te sturen.”

Het nieuwe onderzoek toont aan dat de meeste Holliday-junctievarianten zelfassemblerende kristallen produceren, hoewel zes fatale junctie-arrangementen onverenigbaar waren met kristalvorming. Het gemeenschappelijke kenmerk van deze mislukte verbindingen was het ontbreken van twee kritische bindingsplaatsen voor ionen, die essentieel zijn voor kristalvorming.

“Deze studie was fascinerend omdat het liet zien hoe subtiele variaties in Holliday-junctiegeometrieën – die kunnen worden begrepen op het niveau van één nucleotide – dramatische effecten kunnen hebben op kristalassemblage en symmetrie. Dit is echt ‘moleculaire wetenschap’, waardoor we uiteindelijk interacties op moleculair niveau die aanleiding zullen geven tot opwindende nanomaterialen met ongekende controle,” zei Stephanopolous.

“Een van de uitdagingen van dit onderzoek was om te bepalen waarom sommige Holliday-knooppunten kristallen kunnen produceren, maar andere niet. Empirisch kunnen we de kristalstructuren bestuderen van die knooppunten die kristalliseren, maar om het gedrag te begrijpen van de fatale knooppuntarrangementen die dat wel doen. niet, computationele chemie was nodig,” zei Sulc.

“Hiervoor werkten we samen met Dr. Miroslav Krepl en professor Jiri Sponer van de Tsjechische Academie van Wetenschappen, die alle Holliday-knooppunten met atomistische resolutie simuleerden, en het kritische inzicht kregen dat de fatale knooppunten geen ionen konden binden die stabiliseren conformatie. Deze inspanning leverde een uitstekend voorbeeld op van waar computermodellering en experimenten samen complexe verschijnselen kunnen verklaren, “zei hij.

Het nieuwe onderzoek biedt waardevolle aanwijzingen voor het ontwerp en de ontwikkeling van nieuwe vormen die kunnen worden toegevoegd aan de steeds groter wordende overvloed aan nanostructuren en nanodevices die een breed scala aan toepassingen dienen in elektronica, beeldvorming, informatica en geneeskunde.