![De groei van de nucleïnezuur nanotechnologie toolbox. Eén zo'n vooruitgang, DNA-origami, verdient expliciete discussie. Krediet: <i>Nanoschaal</i> (2022). DOI: 10.1039/D2NR04040A” width=”800″ height=”530″><figcaption class= Onderzoekers brengen de toekomst van nucleïnezuur-nanotechnologie in kaart](https://scx1.b-cdn.net/csz/news/800a/2022/researchers-chart-futu.jpg)
De groei van de nucleïnezuur nanotechnologie toolbox. Eén zo’n vooruitgang, DNA-origami, verdient expliciete discussie. Credit: nanoschaal (2022). DOI: 10.1039/D2NR04040A
Gevangen in een microscopisch kleine kooi gemaakt van DNA-strengen, moleculen van een levensreddend medicijn dat door de bloedbaan van een kankerpatiënt stroomt. Alleen wanneer receptoren op de strengen voelen dat ze op de juiste locatie zijn aangekomen – kankercellen die een bepaald eiwit overmatig produceren of ander abnormaal gedrag vertonen – springt de kooi open, waardoor het antikankermedicijn precies daar wordt afgeleverd waar het nodig is en de gezonde cellen van de patiënt achterblijven ongedeerd.
Dat is een voorbeeld van hoe nucleïnezuur-nanotechnologie (NAN) op zichzelf – waarbij alleen gebruik wordt gemaakt van de fysische en chemische eigenschappen van de nucleïnezuren DNA en RNA in plaats van de genetische code die ze dragen – een revolutie teweegbrengt in de geneeskunde.
Maar wat als de unieke eigenschappen van DNA en RNA kunnen worden gecombineerd met de talloze voordelen van halfgeleidertechnologie? Onderzoekers ontwikkelen bijvoorbeeld een kunstmatige neus door arrays van miniatuur DNA-moleculaire sensoren – elk aangepast om een ander molecuul te detecteren – aan siliciumchips te bevestigen. Deze bio-elektronische sensor kan duizenden verschillende chemicaliën in het lichaam of in de omgeving “opsnuiven”.
In een artikel online gepubliceerd op 21 oktober in nanoschaalhebben NIST-onderzoekers J. Alexander Liddle en Jacob Majikes de vele facetten van NAN bekeken en geconcludeerd dat de technologie de meeste belofte inhoudt voor het overbruggen van de wereld van biologie en halfgeleiders.
Sommige onderzoekers en financieringsinstanties, merkten ze op, verwachtten dat NAN veel aspecten van de fabricage van halfgeleiders zou kunnen verdringen en zou kunnen wedijveren met bestaande technologieën voor toepassingen zoals archiefgeheugen. Sommige wetenschappers hebben gesuggereerd dat de strengen zichzelf efficiënt kunnen assembleren om geïntegreerde schakelingen te bouwen.
Deze inspanningen zijn echter eenvoudigweg niet economisch levensvatbaar, beweerden Majikes en Liddle. Vooruitgang in de halfgeleiderindustrie in de afgelopen twee decennia heeft een snelle en goedkope fabricage van de circuits zonder NAN mogelijk gemaakt. Hoewel de intrigerende mogelijkheden die NAN biedt onderzoekers wereldwijd hebben geïnspireerd en aangetrokken, moet bij het voorspellen van de impact van deze nanotechnologie rekening worden gehouden met de economie, benadrukten de onderzoekers.
Financieringsinstanties die het toekomstige nut van NAN beoordelen, moeten ook rekening houden met het grote percentage defecten – montagefouten – inherent aan DNA-structuren, aldus Majikes en Liddle. Defect geassembleerde eiwitten kunnen tot 30 procent uitmaken van die in organismen. In het lichaam is dat geen probleem; defecte eiwitten worden gerecycled en beschadigd DNA wordt gerepareerd. Maar de halfgeleiderindustrie kan geen defecten tolereren die groter zijn dan een deel op een biljoen.
Het hoge percentage defecten maakt NAN een slechte keuze voor het fabriceren van elektronische apparaten met behulp van de standaard “bottom-up”-benadering – te beginnen met DNA-strengen en deze te bouwen om grotere, complexere apparaten te maken – merkten Liddle en Majikes op. In plaats daarvan zullen de meest veelbelovende toepassingen van NAN ontstaan door DNA- of RNA-strengen te combineren met bestaande biologische, farmaceutische en elektronische apparaten, voorspelden de NIST-onderzoekers.
Door NAN- en halfgeleidertechnologie te integreren, kunnen biosensoren worden geproduceerd die kunnen worden gecontroleerd en bestuurd door smartphones, en kunnen ze met een ongeëvenaarde gevoeligheid chemicaliën in het lichaam en de omgeving detecteren.
NAN biedt deze mogelijkheden omdat DNA-strengen gemakkelijk op voorspelbare, controleerbare manieren aan elkaar en een groot aantal andere moleculen binden.
De veelzijdigheid van DNA ligt in de structuur, de beroemde gedraaide ladder of dubbele helix. Twee lange parallelle ketens van suiker- en fosfaatmoleculen vormen de rails van de ladder, terwijl de sporten bestaan uit paren moleculen die basen worden genoemd. De opstelling van de bases, waarvan er slechts vier zijn, codeert de blauwdruk voor het leven, maar de bases kunnen worden verwisseld of vervangen om structuren te creëren die verschillende gevoeligheden hebben voor een arsenaal aan chemicaliën.
De basen en suikers langs een DNA-streng blijven aan elkaar vastzitten omdat ze een of meer elektronenparen delen, een partnerschap dat bekend staat als covalente binding. Door een enkele base te vervangen door een chemisch anker, vaak aan het ene uiteinde van een streng, kan de resterende DNA-structuur covalente binding gebruiken om zich te hechten aan een molecuul dat is verbonden met een gouddeeltje of een halfgeleiderapparaat. De industrie heeft inderdaad jarenlang kunstmatige DNA-strengen gemaakt, elk op maat gemaakt om aan een andere groep moleculen te hechten.
Hoewel de dubbelstrengs helix, die sterk en stijf is, de meest bekende vorm van DNA is, kan het ook de vorm aannemen van enkelvoudige strengen, die slap en los zijn. Als lego’s passen kettingen van enkele en dubbele strengen in elkaar en kunnen ze verschillende vormen aannemen die bewegen en trillen.
Deze kenmerken maken het mogelijk dat een op DNA gebaseerde structuur overeenkomt met een kankercel of een ander doelwit “omdat we zowel de vorm als de flexibiliteit van de structuur gemakkelijk kunnen manipuleren, zodat het past waar we het willen op een eiwit of nanodeeltje, of cel, en zorg er ook voor dat het niet op plaatsen past waar we het niet willen hebben”, merkte Majikes op.
“We zien nu DNA-strengen als de ‘lijm’ die veel bestaande biologische, farmaceutische en elektronische apparaten en mogelijkheden bij elkaar zou kunnen houden en integreren,” zei Majikes. “Deze producten zullen enorm divers zijn, maar zullen over het algemeen medicijnen slimmer maken en elektronische sensoren genuanceerder en molecuulspecifiek maken,” voegde hij eraan toe. “NAN is in wezen een universele connector tussen bijna elk gereedschap op nanoschaal, of het nu eiwitten, nanodeeltjes of elektroden zijn.”
Jacob M. Majikes et al, Synthesizing the biochemische en halfgeleiderwerelden: de toekomst van nucleïnezuur nanotechnologie, nanoschaal (2022). DOI: 10.1039/D2NR04040A
nanoschaal
Geleverd door National Institute of Standards and Technology