Nieuwe mogelijkheden in DNA-nanostructuur zelfassemblage elimineren de behoefte aan extreme verwarming en gecontroleerde koeling

Universiteit van Albany-onderzoekers van het RNA-instituut zijn pionieren met nieuwe methoden voor het ontwerpen en samenstellen van DNA-nanostructuren, waardoor hun potentieel voor real-world toepassingen in geneeskunde, materiaalwetenschappen en gegevensopslag wordt verbeterd.

Hun nieuwste bevindingen tonen een nieuw vermogen om deze structuren samen te stellen zonder de noodzaak van extreme hitte en gecontroleerde koeling. Ze demonstreren ook een succesvolle assemblage van onconventionele “buffer” stoffen, waaronder nikkel. Deze ontwikkelingen, gepubliceerd in het dagboek De wetenschap vordertontgrendel nieuwe mogelijkheden in DNA -nanotechnologie.

DNA wordt meestal erkend vanwege zijn rol bij het opslaan van genetische informatie. Samengesteld uit basenparen die gemakkelijk kunnen worden gemanipuleerd, is DNA ook een uitstekend materiaal voor het bouwen van nanoschaalobjecten. Door “programmeren” van de basenparen die DNA -moleculen vormen, kunnen wetenschappers precieze structuren zo klein maken als enkele nanometers die in vormen met ingewikkelde architecturen kunnen worden ontworpen.

Met hun kleine schaal en aangepaste ontwerp kunnen deze structuren worden gebruikt voor een zeer nauwkeurige plaatsing van dingen zoals biomoleculen, cellen en nanodeeltjes, met toepassingen in biomedicine (bijvoorbeeld medicijnafgifte, therapeutica en diagnostische hulpmiddelen) en materiaalontwerp.

Het maken van deze structuren vereist vaak dat DNA -strengen worden verwarmd en vervolgens worden gekoeld in speciale bufferoplossingen die typisch magnesiumionen bevatten. De behoefte aan precieze temperatuurregeling beperkt de mogelijkheden voor praktische toepassingen en DNA -nanostructuren geassembleerd in magnesium kunnen echter uitdagingen opleveren, waaronder structurele instabiliteit in biologische omgevingen.

Om deze problemen aan te pakken, onderzoekt het Ualbany -team manieren om DNA -nanostructuren bij matige temperaturen te assembleren, en in een verscheidenheid aan metaalionoplossingen die leiden tot stabielere nanostructuren.

“We assembleren meestal DNA -nanostructuren door de component -DNA -strengen te mengen in een bufferoplossing, de oplossing te verwarmen voor hoge temperaturen (194 tot 203 graden Fahrenheit), en vervolgens afkoelen tot lagere temperaturen,” zei senior auteur Arun Richard Chandrasekaran, senior onderzoekswetenschapst bij het RNA Institute.

“In deze nieuwe studie laten we zien dat DNA -nanostructuren isotherm kunnen worden geassembleerd, dat wil zeggen, bij constante matige temperaturen rond 68 graden Fahrenheit (kamertemperatuur) of 98,6 graden fahrenheit (lichaamstemperatuur). Door het gebruik van thermische cyclie te elimineren, vereenvoudigt dit de verstand van de nanostructuur van de mogelijkheid Het assembleren van deze structuren bij constante temperaturen voor toepassingen in biologische en materiaalwetenschap. “

Veel DNA-nanostructuurtoepassingen omvatten het bevestigen van temperatuurgevoelige eiwitten (bijv. Enzymen en antilichamen) aan de nanostructuren. Het assembleren van DNA -nanostructuren bij matige temperaturen maakt het gemakkelijker om DNA -nanodevices te construeren voor medicijnafgifte en diagnostiek met behulp van deze delicate biologische componenten.

“Belangrijk is dat dit werk ons ​​dichter bij ons brengt hoe deze nanostructuren daadwerkelijk in het menselijk lichaam kunnen worden gemaakt en gebruikt voor dingen zoals gerichte medicijnafgifte of precisiediagnostiek,” zei Chandrasekaran. “Hoewel we nog een lange weg te gaan hebben voordat dit mogelijk is, is het aantonen van DNA -nanostructuurconstructie bij lichaamstemperatuur een veelbelovende stap.”

In eerder werk gebruikte het Ualbany-team met succes calcium, barium, natrium, kalium en lithium voor DNA-nanostructuurassemblage met behulp van de benadering van hoge temperatuur. In deze studie voegden ze nikkel en strontium toe aan de lijst, met het belangrijke verschil dat ze deze stoffen konden gebruiken om DNA -nanostructuren te construeren bij kamer- en lichaamstemperatuur.

Het assembleren van DNA -nanostructuren zonder het gebruik van magnesium en bij matige temperaturen verbetert het potentiële nut van de structuren in verschillende toepassingen. Ze toonden ook aan dat DNA -nanostructuren die met deze methode zijn gemaakt geen negatieve effecten hebben op de levensvatbaarheid van cellen of immuunrespons, wat hun potentiële gebruik in biologische toepassingen aangeeft.

“Ons lopende onderzoek is bedoeld om nanostructuurassemblage in verschillende metaalionen te optimaliseren en de biostabiliteit van deze structuren te testen op een verscheidenheid aan potentiële toekomstige toepassingen,” zei Chandrasekaran. “Door innovatieve benaderingen van DNA -nanostructuurontwerp en stabilisatie, hopen we dat deze vooruitgang in nanotechnologie de weg kan helpen bij het effenen voor nieuwe oplossingen voor complexe uitdagingen in de geneeskunde en daarna.”

Dit werk was een samenwerkingsinspanning van het Chandrasekaran Lab. Bijdragers waren postdoctorale medewerker Bharath Raj Madhanagopal, onderzoeksmedewerkers Arlin Rodriguez en Akul Patel, Ph.D. Student Hannah Talbot en medewerkers Andrew Berglund, Sweta Vangaveti en Ken Halvorsen.