Diversificatie van DNA-origami: Generatieve ontwerptool vertrouwt op grammaticaregels om de beste vorm te vinden

Zoals de naam al doet vermoeden, is DNA-origami een fabricagetechniek waarbij onderzoekers DNA-strengen vouwen om nauwkeurig gevormde twee- en driedimensionale nanostructuren te creëren. Deze zeer programmeerbare structuren hebben het potentieel om de medicijnafgifte, diagnostische geneeskunde, de vorming van nanomaterialen en moleculair computergebruik te transformeren, maar net als bij het maken van papieren origami zijn wetenschappers beperkt tot de ontwerpen die ze kunnen conceptualiseren.

Om creatieve blokkades te overwinnen, hebben onderzoekers van de afdeling Werktuigbouwkunde van de Carnegie Mellon Universiteit een generatief ontwerphulpmiddel ontwikkeld dat optimaal aangestuurde draadframe-DNA-origami-nanostructuren kan produceren die voldoen aan door de ontwerper gedefinieerde beperkingen.

“Wetenschappers kunnen nu binnen enkele minuten honderden nanostructuren genereren die aan hun specifieke behoeften voldoen”, zegt AJ Vetturini, Ph.D. kandidaat.

Vormgrammaticaregels worden gebruikt bij het ontwerpen van producten en architectuur en zijn planningshulpmiddelen die helpen vormen te manipuleren zodat ze binnen gedefinieerde regels passen om een ​​nieuw ontwerp te genereren. Omdat de samenstelling van DNA wordt bepaald door een eenvoudige reeks regels (A paren met T, C paren met G), was het toepassen van vormgrammatica’s op DNA-origami een gemakkelijke keuze voor het onderzoeksteam, dat dergelijke regels creëerde om de vorming van DNA-structuren te begeleiden.

De nieuwe computerondersteunde ontwerptool aanbevolen in Nucleïnezurenonderzoekvertrouwt op grammaticaregels om ontwerpiteraties te doorlopen voordat de beste oplossing wordt uitgevoerd. Dit generatieve ontwerpproces, vormgloeien genaamd, werd ontwikkeld door Jon Cagan, hoogleraar werktuigbouwkunde.

“Met dit hulpmiddel kunnen we structuren vervaardigen waar mensen niet noodzakelijkerwijs zelf aan zouden denken, maar nu kunnen ze met een doel in de wereld bestaan”, zei hij.

Op basis van de diepgaande kennis van het team op het gebied van DNA-nanotechnologie realiseerden ze zich dat de overgrote meerderheid van de bestaande ontwerpen heel weinig van de ontwerpruimte bestrijkt. Ten eerste verhindert de complexiteit van het creëren van zeer anisotrope DNA-origamivormen vaak de verkenning van potentieel baanbrekende ontwerpen. Bovendien zijn ontwerpen vaak zeer beperkt in termen van beschikbaar materiaal, aangezien de meeste DNA-origami vaste afmetingen hebben vanwege het gebruik van gestandaardiseerde en in de handel verkrijgbare enkelstrengige DNA-“scaffolds”.

“Het ontwerpen van nanostructuren is buitengewoon moeilijk omdat het het zorgvuldig plotten van duizenden nucleobasen in een specifieke volgorde vereist”, legt Rebecca Taylor, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde, uit.

“Het bereiken van een succesvol ontwerp dat voldoet aan de gewenste resultaten op het gebied van mechanica, vorm en materiaalgebruik is een enorme uitdaging zonder de integratie van multi-objectieve optimalisatie in het ontwerpproces. Om die reden ben ik blij dat onze nieuw uitgebrachte tool zo eenvoudig te gebruiken en zal wetenschappers van alle niveaus in staat stellen uiteenlopende ontwerpen te genereren. Dit zou de vooruitgang in biomedische en nanotechnologische toepassingen kunnen versnellen.”

Verder vervaardigde en karakteriseerde het team meerdere ontwerpen die met deze nieuwe tool waren geproduceerd, waardoor ze konden aantonen dat deze nieuwe pijplijn volledig compatibel is met bestaande benaderingen voor het omzetten van 3D-mazen in representaties op basisniveau van DNA-origami.