Een nieuwe draai aan DNA-origami: meta-DNA-structuren transformeren de wereld van DNA-nanotechnologie

Een team van wetenschappers van ASU en Shanghai Jiao Tong University (SJTU) onder leiding van Hao Yan, ASU’s Milton Glick Professor aan de School of Molecular Sciences, en directeur van het ASU Biodesign Institute’s Center for Molecular Design and Biomimetics, heeft zojuist de oprichting aangekondigd van een nieuw type meta-DNA-structuren die de velden van opto-elektronica (inclusief informatieopslag en codering) en synthetische biologie zullen openen.

Dit onderzoek is vandaag gepubliceerd in Nature Chemistry—Inderdaad, het concept van meta-DNA-zelfassemblage kan de microscopische wereld van structurele DNA-nanotechnologie totaal veranderen.

Het is algemeen bekend dat de voorspelbare aard van Watson-Crick-basenparing en de structurele kenmerken van DNA het mogelijk hebben gemaakt dat DNA wordt gebruikt als een veelzijdige bouwsteen om geavanceerde structuren en apparaten op nanoschaal te ontwerpen.

“Een mijlpaal in de DNA-technologie was zeker de uitvinding van DNA-origami, waarbij een lang enkelstrengs DNA (ssDNA) in aangewezen vormen wordt gevouwen met behulp van honderden korte DNA-stapelstrengen,” legt Yan uit. “Het was echter een uitdaging om DNA-architecturen van grotere (micron tot millimeter) afmeting samen te stellen, waardoor het gebruik van DNA-origami tot voor kort beperkt was.” De nieuwe structuren van micronformaat zijn in de orde van de breedte van een mensenhaar die 1000 keer groter is dan de oorspronkelijke DNA-nanostructuren.

Sinds de cover van Wetenschap Magazine in 2011 met hun elegante DNA-origami-nanostructuren, hebben Yan en zijn medewerkers onvermoeibaar gewerkt, gebruikmakend van inspiratie uit de natuur, om complexe menselijke problemen op te lossen.

“In dit huidige onderzoek hebben we een veelzijdige” meta-DNA “(M-DNA) -strategie ontwikkeld waarmee verschillende submicrometer tot micrometer-formaat DNA-structuren zichzelf konden assembleren op een manier die vergelijkbaar is met hoe eenvoudige korte DNA-strengen zichzelf assembleren aan de “nanoschaal”, zei Yan.

De groep toonde aan dat een origami-nanostructuur met 6 helixbundels op submicrometerschaal (meta-DNA) kan worden gebruikt als een vergroot analoog van enkelstrengs DNA (ssDNA), en dat twee meta-DNA’s die complementaire ‘meta-DNA’ bevatten. basenparen “konden dubbele helices vormen met geprogrammeerde handigheid en schroefvormige spoed.

Met behulp van meta-DNA-bouwstenen hebben ze een reeks van sub-micrometer tot micrometerschaal DNA-architecturen geconstrueerd, waaronder meta-meerarmige juncties, 3D-veelvlakken en verschillende 2D / 3D-roosters. Ze toonden ook een hiërarchische strengverplaatsingsreactie op meta-DNA om de dynamische kenmerken van DNA over te brengen naar het meta-DNA.

Met de hulp van assistent-professor Petr Sulc (SMS) gebruikten ze een grofkorrelig computermodel van het DNA om de dubbelstrengs M-DNA-structuur te simuleren en om de verschillende opbrengsten van linkshandige en rechtshandige structuren te begrijpen die werden verkregen .

Verder konden ze, door alleen de lokale flexibiliteit van het individuele M-DNA en hun interacties te veranderen, een reeks submicrometer- of micron-schaal DNA-structuren bouwen van 1D tot 3-D met een breed scala aan geometrische vormen, waaronder meta-juncties, meta-dubbele crossover tegels (M-DX), tetraëders, octaëders, prisma’s en zes soorten dicht opeengepakte roosters.

In de toekomst kunnen meer gecompliceerde circuits, moleculaire motoren en nanodevices rationeel worden ontworpen met behulp van M-DNA en worden gebruikt in toepassingen met betrekking tot biosensing en moleculaire berekeningen. Dit onderzoek zal de creatie van dynamische DNA-structuren op micron-schaal, die herconfigureerbaar zijn na stimulatie, significant beter mogelijk maken.

De auteurs verwachten dat de introductie van deze M-DNA-strategie de DNA-nanotechnologie van de nanometer naar de microscopische schaal zal transformeren. Dit zal een reeks complexe statische en dynamische structuren creëren in de submicrometer en micron-schaal die veel nieuwe toepassingen mogelijk maken.

Deze structuren kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt als een steiger voor het aanbrengen van patronen in complexe functionele componenten die groter en complexer zijn dan eerder voor mogelijk werd gehouden. Deze ontdekking kan ook leiden tot meer verfijnd en complex gedrag dat cel- of cellulaire componenten nabootst met een combinatie van verschillende op M-DNA gebaseerde hiërarchische strengverplaatsingsreacties.