DNA-nanostructuren kunnen de moleculaire organisatie van levende systemen nabootsen zonder chemische verknoping

Nieuw ontwikkelde DNA-nanostructuren kunnen flexibele, vloeiende en stimuli-responsieve condensaten vormen zonder te vertrouwen op chemische verknoping, Rapporteer onderzoekers van het Institute of Science Tokyo en Chuo University, in het tijdschrift Jacs au.

Vanwege een rigide tetraëdrisch motief dat de linkers in een specifieke richting bindt, vormen de resulterende stringachtige structuren condensaten met uitzonderlijke vloeibaarheid en stabiliteit. Deze bevindingen effenen de weg voor adaptieve zachte materialen met potentiële toepassingen bij de afgifte van geneesmiddelen, kunstmatige organellen en bio -engineering platforms.

Binnen levende cellen kunnen bepaalde biomoleculen zich organiseren in gespecialiseerde compartimenten die biomoleculaire condensaten worden genoemd. Deze druppelachtige structuren spelen cruciale rollen in cellulaire functies, zoals het reguleren van genexpressie en biochemische reacties; Ze vertegenwoordigen in wezen de slimme manier van de natuur om cellulaire activiteit te organiseren zonder de noodzaak van rigide membranen.

Wetenschappers zijn steeds meer geïnteresseerd geraakt in het creëren van kunstmatige versies van deze condensaten met behulp van DNA -nanotechnologie, omdat DNA’s programmeerbaarheid en precisie het een ideaal bouwmateriaal maken voor synthetische biologische systemen.

Hoe de fysieke structuur van condensaatcomponenten hun gedrag en functie beïnvloedt, is echter nog steeds onduidelijk. De meeste tot nu toe gecreëerde synthetische DNA -condensaten zijn relatief uniform en missen de complexiteit die in levende cellen wordt gevonden. Bovendien bevatten veel biologische condensaten, zoals die met chromatine, zeer anisotrope componenten – structuren met directionele eigenschappen die beïnvloeden hoe de condensaten zich vormen en zich gedragen.

De effecten van structurele anisotropie zijn grotendeels over het hoofd gezien in kunstmatige condensaten, waardoor de potentiële ontwerpen van biomaterialen met geavanceerde functionaliteiten worden beperkt.

In hun recente studie heeft een onderzoeksteam onder leiding van professor Masahiro Takinoue van het Departement Computerwetenschap van het Institute of Science Tokyo (Science Tokyo), Japan, op dit gebied een belangrijke sprong voorwaarts gemaakt. Hun werk onderzoekt hoe anisotropie in DNA -nanostructuren de vorming en eigenschappen van DNA -condensaat kan beïnvloeden.

De onderzoekers ontwierpen rigide, driedimensionale tetraëdrische DNA-nanostructuren die in een specifieke richting verbinding maken om stringachtige assemblages te vormen.

In tegenstelling tot de flexibele X-vormige DNA-motieven die in eerdere studies worden gebruikt, behouden deze tetraëdrische motieven hun rigide structuur wanneer ze aan elkaar worden gekoppeld, waardoor lange ketens worden gecreëerd.

Een belangrijke innovatie ligt in hoe deze snaren op elkaar inwerken: in plaats van chemische verknoping tussen verschillende ketens te vereisen, associëren de snaren door fysieke verstrengeling om fasegescheiden condensaten te vormen.

Door verschillende experimenten ontdekte het team dat hun DNA -condensaten opmerkelijke eigenschappen vertonen in vergelijking met conventionele.

Wanneer ze worden onderworpen aan mechanische stress, kunnen de op snaar gebaseerde condensaten worden uitgerekt in vezelachtige structuren zonder te breken, wat uitzonderlijke flexibiliteit en stabiliteit aantoont. Bovendien onthulden tests met behulp van microfluïdische platforms dat deze condensaten konden vervormen en door extreem smalle ruimtes kunnen persen en zich op een vloeibare manier aanpassen aan hun omgeving die verknoopte condensaten niet kunnen.

“De waargenomen balans van flexibiliteit en stabiliteit van het ontwikkelde condensaat kan penetratie en vormconformatie aan onregelmatige weefselarchitecturen mogelijk maken, waardoor een haalbare optie is als voertuig voor medicijnafgifte”, zegt Takinoue.

De onderzoekers demonstreerden ook controle over hun condensaten via externe stimuli, waaronder zowel ultraviolet (UV) licht- als temperatuurveranderingen.

Door fotocleaveerbare spacers op te nemen, kunnen ze de demontage van condensaten activeren met behulp van UV -bestraling, waardoor individuele DNA -nanostructuren kunnen worden doordringende cellen. Bovendien toonden morfologische veranderingen van het condensaat bij toenemende temperatuur zijn thermische responsiviteit. Deze demonstraties suggereren potentiële biomedische en zachte materiaaltoepassingen.

Over het algemeen bieden de bevindingen van deze studie nieuwe inzichten in condensaatgedrag en ontwerp, waardoor nieuwe mogelijkheden worden geopend voor het verfijnen van hun eigenschappen voor specifieke toepassingen.

“Ons anisotrope tetraëdrische DNA -condensaat vertegenwoordigt een veelbelovend nieuw zacht materiaal met potentiële toepassingen over een breed scala aan velden, waaronder bio -engineering en kunstmatige celsystemen,” concludeert Takinoue.

Toekomstig onderzoek en ontwikkeling zal de weg vrijmaken voor nieuwe moleculaire apparaten, geneesmiddelenafgiftesystemen en kunstmatige organellen die de geavanceerde organisatie in levende cellen beter nabootsen.