Wetenschappers bouwen een geavanceerd synthetisch systeem met behulp van zelfreplicerende nanostructuren

Een onderzoeksteam onder leiding van wijlen professor Liang Haojun van het Hefei National Laboratory for Physical Sciences aan de Microscale van de University of Science and Technology of China (USTC) heeft een gemakkelijke enthalpie-gemedieerde strategie ontwikkeld om de replicatie en katalytische assemblage van DNA nauwkeurig te controleren -gefunctionaliseerde colloïden op een tijdsafhankelijke manier, waardoor de creatie van grootschalige geordende nanomaterialen mogelijk wordt gemaakt. De studie was gepubliceerd in Angewandte Chemie Internationale Editie.

De replicatie van informatie is een fundamenteel kenmerk van de natuur, waarbij nucleïnezuren een cruciale rol spelen in biologische systemen. Het creëren van synthetische systemen die grootschalige, driedimensionaal geordende nanomaterialen kunnen produceren met behulp van zelfreplicerende nanostructuren is echter een enorme uitdaging gebleven.

Bestaande kunstmatige, zichzelf replicerende systemen schieten vaak tekort in de programmeerbare assemblage tot geavanceerde nanostructuren, waardoor hun potentiële functies en toepassingen worden beperkt.

Het onderzoeksteam bedacht een innovatieve oplossing om de bestaande uitdagingen te overwinnen. Door gebruik te maken van de kracht van de specificiteit van DNA en de principes van dynamische DNA-nanotechnologie, hebben ze een sjabloonsysteem opgezet dat DNA-gefunctionaliseerde colloïdale zaden omvat.

Deze zaden werden gecombineerd met een vereenvoudigd geprogrammeerd subsysteem voor DNA-strengverplaatsingcircuits, dat was ontworpen om DNA-gefunctionaliseerde colloïdale kopieën te produceren. Dit systeem werkte bij kamertemperatuur, waardoor er geen complexe en potentieel schadelijke processen bij hoge temperaturen nodig waren.

De belangrijkste innovatie lag in het gebruik van een tijdsafhankelijk interactiesysteem dat de replicatie en katalytische assemblage van programmeerbare atoomequivalenten (PAE's) regelde. De PAE's, bestaande uit colloïdale kernen gefunctionaliseerd met DNA, waren in staat complementaire DNA-strengen te herkennen en te binden via een proces dat bekend staat als teenhold-gemedieerde strandverplaatsingsreacties (TMSD).

Dit maakte de gecontroleerde afgifte van katalysatoren uit het sjabloonsysteem mogelijk, wat op zijn beurt de replicatie van PAE-zaden en de assemblage van PAE-kopieën tot superroosterstructuren op gang bracht.

Door geprogrammeerde DNA-assemblage kregen inactieve PAE-kopieën geleidelijk dezelfde plakkerige uiteinden als PAE-zaden, waardoor replicatie en daaropvolgende assemblage in geordende superroosters werd vergemakkelijkt. Belangrijk is dat het systeem opmerkelijke nauwkeurigheid vertoonde bij het herkennen en verzenden van sjablooninformatie tijdens het replicatieproces, waardoor betrouwbaarheid bij de reproductie van superroosterstructuren werd gegarandeerd.

De studie opent mogelijkheden voor de constructie van complexe, programmeerbare, grootschalige driedimensionale colloïdale superroostermaterialen, die toepassingen zouden kunnen vinden op gebieden variërend van materiaalkunde tot biotechnologie.