DNA gebruiken voor kleine technologie: DNA-origami-nanostructuren genereren door middel van vormgloeien

Als het gaat om het maken van nanotechnologie, kun je het niet simpelweg met je handen bouwen. In plaats daarvan hebben onderzoekers iets van nanoformaat nodig dat zichzelf kan assembleren. DNA-origami is een methode om vormen van nanoformaat te maken door DNA-strengen te vouwen. Hiermee kunnen nanomachines, sensoren en nanorobots worden gemaakt voor gebruik op gebieden variërend van biofysica tot fysieke computers.

Het ontwerpproces achter deze structuren vereist echter dat de ontwerper van tevoren bedenkt hoe het eindproduct eruitziet en complexe structuren stuk voor stuk ontwerpt uit enkele strengen DNA. Dit proces is buitengewoon tijdrovend en beperkt de mogelijke ontwerpruimte die kan worden verkend.

In de afgelopen jaren zijn semi-automatische tools vrijgegeven om het ontwerpproces te ondersteunen, en deze tools hebben de gebruikersmogelijkheden enorm uitgebreid. Er bestonden echter geen volledig geautomatiseerde ontwerptools om de meerlagige DNA-origami-structuren te maken die de meerderheid van de tegenwoordig gebruikte DNA-origami-ontwerpen vormen.

“Er is een efficiëntere en krachtigere manier om deze constructies te ontwerpen”, zegt Rebecca Taylor, een assistent-professor werktuigbouwkunde. “Dit gebrek aan geautomatiseerde mogelijkheden om meerlagige DNA-origami te genereren, was een grote behoefte in het veld.”

Een nieuwe benadering van het ontwerpen van DNA-origami kwam van een interdisciplinair onderzoeksteam bij CMU. Tito Babatunde, een werktuigbouwkundige Ph.D. student, stelde een nieuwe manier voor om ontwerpen van DNA-origami-nanostructuren te genereren en te optimaliseren. Geadviseerd door Rebecca Taylor en Jonathan Cagan, combineerde ze hun expertise om nanostructuurontwerp aan te pakken.

“We hebben hier een echt interdisciplinaire aanpak”, zegt Cagan, hoogleraar werktuigbouwkunde. “We namen twee afzonderlijke velden en realiseerden ons dat ze elkaar overlappen en iets bieden dat echt uniek is en mogelijkheden kan verbeteren.”

Cagan was een pionier in een generatieve computationele benadering die vormgloeien wordt genoemd. Vormgloeien wordt gebruikt om complexe structuren te ontwerpen door een breed scala aan ontwerpen te onderzoeken voordat de beste wordt gekozen. Deze aanpak zorgt ervoor dat onderzoekers geen tijd of materiaal hoeven te verspillen aan foutieve ontwerpen. In dit project combineert Babatunde vormgloeiing met de fundamentele manier waarop DNA kan worden samengevoegd en gevormd.

DNA volgt een reeks eenvoudige regels die bepalen welke verbindingen kunnen worden gekoppeld. Omdat de regels goed worden begrepen, kunnen onderzoekers profiteren van hun voorspelbaarheid. Onderzoekers beginnen met een enkele DNA-streng en “stapelen” deze in een gewenste 2D- of 3D-vorm. Zodra dit proces is voltooid, fungeert de DNA-nanostructuur als een steiger voor het laatste stukje nanotechnologie.

In hun paper laten Babatunde en haar team zien dat dit proces voor het genereren van ontwerpen werkt voor een verscheidenheid aan vormen. Naast het gebruik van klassieke ontwerpvormen, liet het team zien dat hun programma werkt voor het Stanford-konijn, een complexe vorm die wordt gebruikt om de flexibiliteit van hun werk te laten zien.

Vervolgens zal Babatunde het algoritme meer generaliseerbaar maken. Toekomstige projecten kunnen het integreren van meer beperkingen omvatten, zoals een buitencoating of gaas. Bovendien zou het team hun algoritme in andere situaties kunnen gebruiken of verschillende soorten algoritmen voor DNA-origami kunnen verkennen. Babatunde is echter het meest enthousiast over het creëren van een fysiek stukje nanotechnologie op basis van de DNA-structuur.

“Ik kijk ernaar uit om niet alleen onze benadering te gebruiken om nanostructuren te ontwerpen, maar ze ook in het laboratorium te bouwen,” zei Babatunde. “Door deze innovatieve structuren te bouwen, zal deze technologie de impact aantonen van responsieve nanomachines voor medicijnafgifte aan nanomechanische sensoren en nanolithografie.”

Het artikel is gepubliceerd in Toegepaste wetenschappen in de Mechanisch ontwerp in DNA-nanotechnologie speciale uitgave.