DNA-nanobots bouwen zichzelf: hoe kunnen we ze helpen op de juiste manier te groeien?

UNSW-onderzoekers hebben een grote ontwerpuitdaging overwonnen op weg naar het beheersen van de afmetingen van zogenaamde DNA-nanobots – structuren die zichzelf samenstellen uit DNA-componenten.

Zelfassemblerende nanorobots klinkt misschien als sciencefiction, maar nieuw onderzoek in de DNA-nanotechnologie heeft ze een stap dichter bij de realiteit gebracht. Toekomstige nanobot-use-cases zullen niet alleen op kleine schaal plaatsvinden, maar omvatten ook grotere toepassingen op gezondheids- en medisch gebied, zoals wondgenezing en ontstopping van slagaders.

Onderzoekers van UNSW, met collega’s in het VK, hebben een nieuwe ontwerptheorie gepubliceerd in ACS Nano over het regelen van de lengte van zelfassemblerende nanobots bij afwezigheid van een mal of sjabloon.

“Traditioneel bouwen we constructies door componenten handmatig te assembleren tot het gewenste eindproduct. Dat werkt best goed en gemakkelijk als de onderdelen groot zijn, maar naarmate je kleiner en kleiner wordt, wordt het moeilijker om dit te doen”, zegt hoofdauteur Dr. Lawrence Lee van UNSW Medicine’s Single Molecule Science.

Medische onderzoekers zijn al in staat robots op nanoschaal te bouwen die kunnen worden geprogrammeerd om zeer kleine taken uit te voeren, zoals het plaatsen van kleine elektrische componenten of het afleveren van medicijnen aan kankercellen.

Bij UNSW gebruiken onderzoekers biologische moleculen – zoals DNA – om deze nanorobots te bouwen. In een proces dat moleculaire zelfassemblage wordt genoemd, bouwen kleine individuele componenten zichzelf op tot grotere structuren.

De uitdaging bij het gebruik van zelfassemblage om te bouwen, is uitzoeken hoe de bouwstenen moeten worden geprogrammeerd om de gewenste structuur te bouwen, en ze te laten stoppen wanneer de structuur lang of hoog genoeg is.

Voor dit project hebben de UNSW-onderzoekers hun ontwerp geïmplementeerd door DNA-subeenheden te synthetiseren, PolyBricks genaamd. Zoals gebeurt in natuurlijke systemen, worden de bouwstenen elk gecodeerd met de masterplannen om zichzelf te assembleren tot vooraf gedefinieerde structuren met een vaste lengte.

Dr. Lee vergelijkt de PolyBricks met de microbots in de scifi-film Big Hero Six, waar microbots zichzelf samenvoegen tot een groot aantal verschillende formaties.

“In de film is de ultieme robot een stel identieke subeenheden die kunnen worden geïnstrueerd om zichzelf in elke gewenste globale vorm te assembleren”, zegt Dr. Lee.

De auteurs gebruikten een ontwerpprincipe dat bekend staat als spanningsaccumulatie om de afmetingen van hun gebouwde structuren te beheersen.

“Met elk blok dat we toevoegen, hoopt de spanningsenergie zich op tussen de PolyBricks, totdat de energie uiteindelijk te groot is om nog meer blokken te binden. Dit is het punt waarop de subeenheden zullen stoppen met assembleren”, zegt Dr. Lee.

Om de lengte van de uiteindelijke structuur te bepalen – dat wil zeggen, hoeveel PolyBricks zijn samengevoegd – heeft het onderzoeksteam de sequentie in hun DNA-ontwerp aangepast om te regelen hoeveel spanning er bij elk nieuw blok wordt toegevoegd.

“Onze theorie zou onderzoekers kunnen helpen bij het ontwerpen van andere manieren om spanningsaccumulatie te gebruiken om de globale afmetingen van open zelfassemblages te beheersen”, zegt Dr. Lee.

De auteurs zeggen dat dit mechanisme kan worden gebruikt om meer complexe vormen te coderen met behulp van zelfassemblage-eenheden.

“Dit soort fundamenteel onderzoek naar de manier waarop we materie op nanoschaal organiseren, zal ons naar de volgende generatie nanomaterialen, nanogeneesmiddelen en nano-elektronica leiden”, zegt Ph.D. afgestudeerd en hoofdauteur, dr. Jonathan Berengut.