Isotherme zelfassemblage van multicomponent en evolutieve DNA-nanostructuren

Meerdere complementaire DNA-strengen kunnen thermisch worden versmolten tot gewenste entiteiten om DNA-nanostructuren te ontwikkelen. In een nieuwe studie die nu is gepubliceerd in Natuur Nanotechnologiegebruikten Caroline Rossi-Gendron en een team van onderzoekers in de chemie, materiaalkunde en biologie in Frankrijk en Japan een magnesiumvrije buffer met natriumchloride, complexe cocktails van DNA-strengen en eiwitten om zichzelf isotherm bij kamertemperatuur of fysiologische temperatuur te assembleren tot door de gebruiker gedefinieerde nanostructuren inclusief nanogrids, DNA-origami en enkelstrengs tegelconstructies.

Deze zelfassemblage was gebaseerd op thermodynamica en verliep via meerdere vouwpaden om zeer configureerbare nanostructuren te creëren. De methode maakte de zelfselectie mogelijk van de meest stabiele vorm in een grote pool van competitieve DNA-strengen. Interessant is dat DNA-origami isotherm kan verschuiven van een aanvankelijk stabiele vorm naar een radicaal andere door een uitwisseling van constitutieve stapelstrengen. Dit breidde de verzameling vormen en functies uit die via isotherme zelfassemblage werd verkregen om de basis te leggen voor adaptieve nanomachines en om evolutionaire ontdekking van nanostructuren te vergemakkelijken.

Zelf-assemblage in de natuur en het lab

Zelf-assemblage vindt plaats wanneer natuurlijk voorkomende of rationeel ontworpen entiteiten de nodige informatie kunnen inbedden om spontaan te interageren en zichzelf te organiseren in functionele bovenbouw van belang. Doorgaans zijn synthetische zelf-geassembleerde materialen het resultaat van de organisatie van een zich herhalende enkele component om een ​​stabiele supramoleculaire assemblage te creëren die micellen of colloïdale kristallen bevat met een voorgeschreven reeks bruikbare eigenschappen. Dergelijke constructies zijn beperkt herconfigureerbaar, waardoor het zeer uitdagend is om de gewenste structuren te produceren.

Structureel DNA-nanotechnologie onderzoekt het sequentie-afhankelijke principe van basenparing tussen synthetische DNA-enkele strengen om deze uitdaging te overwinnen en diverse en uitgebreide superstructuren van een beoogde vorm, grootte en functionele specificiteit op grote schaal samen te stellen met een reeks toepassingen. Structuren met meerdere componenten zijn meestal afgeleid van een thermisch uitgloeiproces, waarbij het DNA-mengsel eerst wordt verwarmd tot boven de smelttemperatuur en langzaam wordt afgekoeld om kinetische vallen te voorkomen en ervoor te zorgen sequentiespecifieke DNA-hybridisatie.

Structurele DNA-nanotechnologie

Thermisch uitgloeien kan de mogelijkheid van spontane nanostructuurvorming onder vaste omstandigheden belemmeren. In dit werk beschreven Rossi-Gendron en collega’s daarom dat de belangrijkste methode van structurele DNA-nanotechnologie afhangt van hetzelfde principe van generieke isotherme DNA-zelfassemblage om door de gebruiker gedefinieerde uitgebreide DNA-nanostructuren te creëren, zoals DNA-origami en DNA-nanogrids. Het onderzoeksteam bestudeerde de structurele complexiteit van DNA-origami-ontwerpen en zelfherhalende nanogrids atoomkrachtmicroscopie om de veelheid aan vouwpaden in zelfassemblerende 2D-origamivormen te onthullen.

DNA-origami via zelfassemblage in natriumchloride

Het team voltooide een reeks experimenten in een thermodynamisch gereguleerde isotherme zelfassemblageomgeving om de vormtransformatie te voltooien. Ze bereikten dit door een DNA-origamimengsel samen te stellen zonder thermische voorbehandeling en de constructen enkele uren in een conventionele buffer te incuberen. Als eerder waargenomenongeacht de incubatietijd, toonden de resultaten niet de vorming van correct gevormde objecten.

Het team koos voor een alternatieve buffer aangevuld met monovalente zouten om nietjesuitwisseling en herconfiguratie te bevorderen om de opmerkelijke vorming van correct gevouwen scherpe driehoeken bij kamertemperatuur binnen een paar uur op te merken. Deze resultaten waren consistent bij de gemiddelde zoutconcentraties. De onderzoekers lieten zien hoe isotherme zelfassemblage in buffer elektrostatisch kan worden aangedreven om een ​​verscheidenheid aan aangepaste nanostructuren te genereren onder een breed temperatuurvenster.

Ze onderzochten het concept voor de isotherme zelfassemblage van 3D-origami om de mogelijkheid van spontane zelfassemblage bij kamertemperatuur of lichaamstemperatuur zonder thermische voorbehandeling te benadrukken om een ​​verscheidenheid aan morfologieën te creëren om de veelzijdigheid van zelfassemblage te illustreren. Desalniettemin benadrukte de zeer lage opbrengst van de constructies de huidige beperking die kan worden overwonnen door het ontwerp van de nanostructuur te optimaliseren.

Veelvoud aan vouwpaden en vormveranderingen

Rossi-Gendron en collega’s bestudeerden verder de mechanismen van isotherme zelfassemblage door een methode te bedenken om het vouwpad van 2D DNA-origami in realtime te volgen. Het werk toonde aan dat het bereiken van de evenwichtsstructuur voor een individuele origami niet afhing van één specifiek vouwpadin plaats daarvan vertrouwend op meerdere paden, totdat het de beoogde evenwichtsvorm bereikte.

Gedeeltelijk gevouwen structuren vertoonden verschillende initiële vouwtoestanden, wat impliceert dat meerdere vouwpaden niet afhankelijk waren van zelfmontage met behulp van het oppervlak. De uitkomsten concluderen dat isotherme origamivorming een thermodynamisch gereguleerd proces is waarbij de structuren via zelfassemblage een evenwichtstoestand bereiken. Bij het blootstellen van de origami-vormen aan een reeks competitieve nietjes, merkte het team op hoe de zelfassemblage leidde tot een spontane evolutie van origami-vorm naar een dramatisch andere stabiele constructie om een ​​thermodynamisch gunstig vormverschuivend resultaat te creëren.

Vooruitzichten

Op deze manier gebruikten Rossi-Gendron en collega’s een generieke zoutoplossingbuffer en een zeer multicomponentmengsel van DNA-strengen om zichzelf spontaan te assembleren bij constante temperatuur over een reeks temperaturen om correct gevormde objecten te vormen als origami’s of DNA-nanogrids. Ze bereikten deze resultaten bij kamertemperatuur voor stapsgewijze thermodynamisch aangedreven zelfassemblage. De resultaten wezen op de mogelijkheid van dynamische functies in omringende omgevingen en levende systemen met vaste temperaturen voor het ontdekken van nanostructuren met behulp van grote bibliotheken van DNA-componenten.