Met software kunnen onderzoekers kleine afgeronde objecten uit DNA maken. Dit is waarom dat cool is

Bewonder de kleine structuren op nanoschaal die tevoorschijn komen uit onderzoekslaboratoria aan de Duke University en de Arizona State University, en het is gemakkelijk voor te stellen dat je door een catalogus van ’s werelds kleinste aardewerk bladert.

Een nieuwe krant onthult enkele van de creaties van de teams: minuscule vazen, kommen en holle bollen, de een verborgen in de ander, als huishoudelijke artikelen voor een Russische nestpop.

Maar in plaats van ze van hout of klei te maken, ontwierpen de onderzoekers deze objecten uit draadachtige DNA-moleculen, gebogen en gevouwen tot complexe driedimensionale objecten met nanometerprecisie.

Deze creaties demonstreren de mogelijkheden van een nieuw open-source softwareprogramma ontwikkeld door Duke Ph.D. student Dan Fu met zijn adviseur John Reif. Beschreven op 23 december in het tijdschrift Wetenschappelijke vooruitganglaat de software gebruikers tekeningen of digitale modellen van afgeronde vormen maken en deze omzetten in 3D-structuren gemaakt van DNA.

De DNA-nanostructuren werden geassembleerd en afgebeeld door co-auteurs Raghu Pradeep Narayanan en Abhay Prasad in het laboratorium van professor Hao Yan in de staat Arizona. Elk klein hol voorwerp is niet meer dan twee miljoenste van een inch breed. Er passen er meer dan 50.000 op de punt van een speld.

Maar de onderzoekers zeggen dat dit meer is dan alleen maar nanosculpturen. Met de software kunnen onderzoekers kleine containers maken om medicijnen af ​​te leveren, of mallen voor het gieten van metalen nanodeeltjes met specifieke vormen zonnepanelen, medische beeldvorming en andere toepassingen.

Voor de meeste mensen is DNA de blauwdruk van het leven; de genetische instructies voor alle levende wezens, van pinguïns tot populieren. Maar voor teams als die van Reif en Yan is DNA meer dan een drager van genetische informatie: het is de broncode en het constructiemateriaal.

Er zijn vier “letters”, of basen, in de genetische code van DNA, die op een voorspelbare manier in onze cellen paren om de sporten van de DNA-ladder te vormen. Het zijn deze strikte basenparing-eigenschappen van DNA – A met T en C met G – die de onderzoekers hebben gecoöpteerd. Door DNA-strengen met specifieke sequenties te ontwerpen, kunnen ze de strengen “programmeren” om zichzelf in verschillende vormen samen te voegen.

De methode omvat het vouwen van een of enkele lange stukken enkelstrengs DNA, duizenden basen lang, met behulp van een paar honderd korte DNA-strengen die zich binden aan complementaire sequenties op de lange strengen en ze op hun plaats “nieten”.

Onderzoekers experimenteren al sinds de jaren tachtig met DNA als constructiemateriaal. De eerste 3D-vormen waren eenvoudige kubussen, piramides, voetballen—geometrische vormen met grove en blokvormige oppervlakken. Maar het ontwerpen van structuren met gebogen oppervlakken die meer lijken op die in de natuur, was lastig. Het doel van het team is om het scala aan vormen dat mogelijk is met deze methode uit te breiden.

Om dat te doen, ontwikkelde Fu software genaamd DNAxiS. De software vertrouwt op een manier om met DNA te bouwen beschreven in 2011 door Yan, die 20 jaar geleden postdoc was bij Reif bij Duke voordat hij bij de faculteit in Arizona State kwam. Het werkt door een lange dubbele DNA-helix op te rollen tot concentrische ringen die op elkaar worden gestapeld om de contouren van het object te vormen, zoals het gebruik van rollen klei om een ​​pot te maken. Om de constructies sterker te maken, heeft het team het ook mogelijk gemaakt om ze te versterken met extra lagen voor meer stabiliteit.

Fu pronkt met de verscheidenheid aan vormen die ze kunnen maken: kegels, kalebassen, klaverbladvormen. DNAxiS is de eerste softwaretool waarmee gebruikers dergelijke vormen automatisch kunnen ontwerpen, waarbij algoritmen worden gebruikt om te bepalen waar de korte DNA-“nietjes” moeten worden geplaatst om de langere DNA-ringen samen te voegen en de vorm op zijn plaats te houden.

“Als er te weinig zijn, of als ze in de verkeerde positie staan, zal de structuur niet correct worden gevormd,” zei Fu. “Vóór onze software maakte de kromming van de vormen dit een bijzonder moeilijk probleem.”

Gegeven een model van een paddestoelvorm, bijvoorbeeld, spuugt de computer een lijst met DNA-strengen uit die zichzelf in de juiste configuratie zouden assembleren. Zodra de strengen zijn gesynthetiseerd en gemengd in een reageerbuis, zorgt de rest voor zichzelf: door het DNA-mengsel te verwarmen en af ​​te koelen, binnen slechts 12 uur “vouwt het op magische wijze op in de DNA-nanostructuur”, zei Reif.

Praktische toepassingen van hun DNA-ontwerpsoftware in het laboratorium of de kliniek kunnen nog jaren ver weg zijn, aldus de onderzoekers. Maar “het is een grote stap voorwaarts in termen van geautomatiseerd ontwerp van nieuwe driedimensionale structuren”, zei Reif.