100-kratni preskok na nanotehnologijo GigaDalton DNA

Dnevnik TV Maribor 3.12.2013 (Julij 2019).

Anonim

DNK, ki je prisotna v skoraj vseh celicah, se vse pogosteje uporablja kot gradbeni material za izdelavo majhnih, a prefinjenih struktur, kot so avtonomni "sprehodniki DNA", ki se lahko premikajo po površini mikrodelcev, fluorescentne etikete za diagnostične aplikacije, "DNK škatle", ki služijo kot pametne naprave za dostavo zdravila, ki so načrtovane, da se odprejo na mestih bolezni, da sproščajo svojo terapevtsko vsebino ali programirajo tovarne za nanodelce določenih velikosti in oblik za nove optične in elektronske aplikacije.

Za sprejemanje teh funkcij so raziskovalci na Harvardovem Wyssovem inštitutu za biološko navdahnjeno inženirstvo in po vsem svetu razvili načine, ki omogočajo, da se DNA sklopi sami sestavi v vse bolj zapletene 3D strukture, kot je origamija oplaščenih dreves. DNA origamis pa je omejen v velikosti, ker se zanašajo na razpoložljivost usmerjevalnih odrov, ki jih je težko izdelati in manipulirati. Leta 2012 je Peng Yin in njegova ekipa na Wyssovem inštitutu predstavila alternativno metodo v naravi (2D) in znanosti (3D), ki temelji na DNA "opeka", ki ne uporabljajo odra, temveč se lahko povežejo kot vmesni Lego opeke in s tem sami sestavi v origami velikih strukturah s predpisanimi oblikami.

Kot je navedeno v Naravi, je ekipa preplavila svojo tehnologijo za dva reda velikosti in omogočila, da bi se drobne tkanine naslednje generacije samorejno združile v trodimenzionalne nanostrukture, ki so 100-krat bolj kompleksne od tistih, ki so bile ustvarjene z obstoječimi metodami. DNA origami in prva generacija DNK opeke se sami sestavi iz stotine edinstvenih komponent, da proizvedejo nanostrukture na MegaDaltonovi lestvici, medtem ko novi pristop o DNK opeka omogoča, da se samodejno sestavijo 10.000 komponent v strukture velikosti GigaDalton (1 GigaDalton je enako 1000 megavatov ali 1 milijarda Daltons). Študija zagotavlja uporabniku prijazna računska orodja za oblikovanje DNA nanostruktur s kompleksnimi kavitacijami (in morebiti površinami), ki lahko v številnih nanotehnoloških aplikacijah v medicini in inženiringu služijo kot gradbeni elementi.

"Načelo in obetavne zmožnosti naše opeke iz prve generacije so nas vodile k vprašanju, ali lahko izboljšamo sistem za doseganje bistveno bolj zapletenih nanostruktur z veliko višjimi donosi v reakcijskih skupkah z eno potjo. Tu smo uspeli vse to narediti. ki omogoča enostavno dostopno praktično platformo, ki omogoča raziskovalcem z zelo različnimi interesi in aplikacijami v mislih, da ustvarijo molekularno platno z 10.000 opekami in jo uporabijo za gradnjo nanostruktur z neverjetnimi kompleksnostmi in potenciali, "je dejal avtor doktorja Yin, ki je član raziskovalnega oddelka Wyss Institute, vodja Inštituta za molekularno robotiko in profesor sistemske biologije na medicinski šoli Harvard.

Tehnologija DNA opeke temelji na stabilni in zelo programabilni naravi DNK. Enojna DNK opeka je kratek sklop sintetične DNA, sestavljen iz vnaprej določenega zaporedja štirih univerzalnih nukleotidnih baz: adenina (A), citozina (C), gvanina (G) in timina (T). Raziskovalci Wyssovega inštituta ustvarjajo velike 3D nanostrukture z mešanjem različnih opek, pri čemer vsaka nosi svoje edinstveno zaporedje nukleotidov, ki je zasnovan tako, da se prilega in veže na brezplačno domeno nukleotidnih baz v drugi opeki, tako da se lahko sami sestavi. V novi različici tehnologije, s spreminjanjem dolžine posameznih zavezujočih domen znotraj opeke, se je ekipa končala z znatno povečano raznolikostjo med možnimi opekami, ki poleg tega vežejo veliko močnejše med seboj. Študija je razvila uporabniku prijazno računalniško programsko opremo, tako da lahko oblikovalci enostavno vnesejo zahtevano obliko 3D in samodejno dobijo seznam sekvenc DNA opek, ki jih lahko sintetiziramo in uporabimo za oblikovanje želene strukture.

"Izkazali smo sposobnosti naše tehnologije s konstrukcijo ogromnih kuboidov, ki vsebujejo do 30.000 opek in prikazali nekaj vzornih oblik, ki jih lahko zgradimo iz podsklopov teh opek. Zelo pomembno je, da so opeke lahko razlikovale med več deset tisoč potencialnimi partnerji da bi našli svoje pravilne sosede in da je bilo zanimivo videti, da bi se tehnika DNK opeke lahko uporabila za oblikovanje precej kompleksnih votlin, kot so medvedek, beseda "LOVE" ali Möbius strip, med mnogimi drugimi, "pravi prvi avtor Luvena Ong, doktorat, nekdanji diplomant iz laboratorija Yin in zdaj raziskovalni raziskovalec v Bristol-Myers Squibb.

Yinova ekipa je sodelovala z raziskovalci v Nacionalnem centru za znanstveno raziskovanje (CNRS) in Francoskim nacionalnim inštitutom za zdravje in medicinske raziskave (INSERM) v Montpellierju v Franciji in Inštitutom za biokemijo Max Planck v Münchnu v Nemčiji za razporeditev zbirke državno- najsodobnejše mikroskopske metode za vizualizacijo zasnovanih votlin v 3D kubidih. "Cavity strukture, sestavljene iz DNK opeke, so zelo zanimive, saj ponujajo možnost oblikovanja nano vsebnikov, v katerih biomolekule, kot so beljakovine, lahko postavite v zelo opredeljenih dogovorih za proučevanje njihovih interakcij in izkoriščanje njihovih dejavnosti", je dejal soodgovorni avtor Yonggang Ke, Ki je razvil prvo DNK opeko platformo z Yin kot postdoctoral sodelavka na Wyss Institute, in je zdaj docent na Georgia Institute of Technology in Emory University. Ke, ki je sodeloval s svojim diplomskim študentom Pengfei Wang, je pripomogel k napredku tehnologije v novi različici. "Z dodajanjem funkcionalnih delov na DNK opeke, ki lahko izvajajo montažne in encimske procese, jih lahko pretvorimo v močna orodja za komercialne in biomedicinske nanofabrikacijske procese v novi lestvici", je dejal Ke. Raziskovalci verjamejo, da bi se v prihodnosti ta metoda lahko uporabila tudi za ustvarjanje velikih nanostruktur s kiparskimi in aplikacijskimi zunanjimi površinami.

"Način razvijanja večplastne tehnologije DNA opekline kaže, kako lahko pobuda Molecular Robotics Wyss Institute doseže globoko na področju nanotehnologije DNK, da bi omogočili nove pristope, ki bi lahko rešili številne resnične svetovne probleme, " je dejal direktor ustanovitve Wyss Institute Donald Ingber, Ph.D., ki je tudi Judah Folkman profesor za žilne biologije v HMS in program za žilne bolezni v bolnišnici Boston, ter profesor za bioinženjering na SEAS.

menu
menu