Maken en manipuleren van capsuleachtige DNA-structuren voor gebruik in kunstmatige moleculaire systemen

Biofysici in Japan hebben manieren gevonden om capsuleachtige DNA-structuren te maken en te manipuleren die kunnen worden gebruikt bij de ontwikkeling van kunstmatige moleculaire systemen. Dergelijke systemen zouden bijvoorbeeld in het menselijk lichaam kunnen functioneren. De studie was een samenwerking tussen Yusuke Sato van Tohoku University en Masahiro Takinoue van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), en de bevindingen werden gepubliceerd in de JACS Au.

Om de capsules te maken, hebben de onderzoekers eerst twee verschillende soorten DNA-nanostructuren gemaakt. Elk type werd gemaakt met behulp van drie enkelstrengs DNA-moleculen met plakkerige stukjes aan hun uiteinden. Vanwege verschillen in hun DNA-sequenties bleven alleen vergelijkbare nanostructuren aan elkaar plakken toen de twee typen werden gemengd.

Sato en Takinoue combineerden vervolgens de nanostructuren in oplossing met een olieachtig mengsel van geladen en niet-geladen moleculen. Het mengsel werd eerst verwarmd en daarna afgekoeld en tenslotte onder een microscoop onderzocht.

De onderzoekers ontdekten dat er zich water-in-oliedruppels hadden gevormd, waarbij de DNA-nanostructuren zich ophoopten op het water-olie-interface. De nanostructuren kwamen samen in verschillende soorten patchachtige patronen, afhankelijk van de concentratie van elk type ten opzichte van het andere.

De wetenschappers ontdekten ook dat de DNA-nanostructuren op een meer homogene manier agglomereerden toen een extra X-vormige DNA-nanostructuur aan de mix werd toegevoegd om de twee typen met elkaar te verbinden.

Dit werkte net zo goed in vetblaasjes als in water-in-oliedruppeltjes. Sato en Takinoue waren ook in staat om de DNA-capsules van de druppeltjes en blaasjes te scheiden zonder hun capsuleachtige vorm te verliezen. Ten slotte konden ze de capsules openen en met specifieke enzymen afbreken.

De bevindingen demonstreren een benadering voor het construeren en wijzigen van DNA-capsules die verschillende functies en doelen kunnen hebben. Ze kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om stoffen naar specifieke doelorganen te vervoeren, waarbij hun lading vrijkomt bij blootstelling aan bepaalde enzymen. Ze kunnen ook mobiel worden gemaakt door DNA-nanostructuren te gebruiken die kunnen worden gemanipuleerd om de vormen van de capsules te veranderen. Of ze kunnen worden gemodificeerd met eiwitten of op DNA gebaseerde moleculaire apparaten om functionele compartimentstructuren te maken, zoals celmembranen.

“Wij geloven dat functionele capsules gemaakt van DNA, zoals degene die we hebben ontworpen, een nieuwe benadering kunnen bieden voor het ontwikkelen van capsulaire structuren voor kunstmatige celstudies en moleculaire robotica”, zeggen Sato en Takinoue.

Het team zal vervolgens werken aan het inbrengen van verschillende soorten lading in de capsules, inclusief DNA-informatieprocessors, en deze vrijgeven als reactie op specifieke stimuli.