En låseboks bygget af DNA

Uden at bruge andet end DNA har forskere i Danmark konstrueret en lillebitte æske med et låg, der enten kan låses eller – ved hjælp af et sæt DNA-nøgler – hængsles op. Mens andre grupper har eksperimenteret med at bruge DNA-origami til at bygge tredimensionelle objekter, er den nye boks, beskrevet i denne uges udgave af Natur , er kendetegnet ved sine solide sider og bevægelige dele.

Deoxyribose sukkerterninger: Fordi komplementære regioner af DNA kan lide at parre sig, var forskerne i stand til at designe en lang DNA-streng, der kombineret med mange små DNA-hæfteklammer automatisk ville samle sig selv i en kasse i nanostørrelse. Denne teknik er kendt som DNA-origami. Her blev kasserne afbildet ved hjælp af kryo-elektron-tomografi for at bekræfte deres kubelignende strukturer og hule indre.

Det er en ret smuk molekylær struktur, siger John Reif , en fremtrædende professor i datalogi ved Duke University, som ikke var involveret i forskningen. Det er første gang, at sådan en nanostruktur havde et programmerbart og kontrollerbart låg.

Indtil videre tjener æsken som et principbevis på, at DNA-origami kan tilpasses til at lave komplicerede tredimensionelle strukturer, siger Jørgen Kjems , molekylærbiolog ved Aarhus Universitets Center for DNA Nanoteknologi, der ledede forskningen. Men i fremtiden mener han, at beholderen i nanostørrelse kan tilpasses til en bred vifte af applikationer, lige fra lægemiddelleveringskøretøj til logisk port.

DNA er et ideelt byggemateriale til nanostrukturer. Det er nemt at udskille i bulk: Kjems og hans team kaprede en virus for at fremstille kopier af den sekvens, de har designet. Og den foldes på ligetil, forudsigelige måder i henhold til dens rækkefølge. Til at designe kassen udviklede Aarhus-teamet et computerprogram til at generere en kontinuerlig enkeltstrenget DNA-sekvens, der sammen med mindre DNA-fragmenter, der fungerer som hæfteklammer, selv samler sig i den ønskede form.

Sekvensen blev udtænkt med mange komplementære regioner, så den automatisk ville foldes til seks nogenlunde firkantede harmonika-lignende ark - siderne af kassen - baseret på DNA's naturlige tendens til at parre sig i dobbeltstrenge. DNA-hæfteklammerne, også drevet af parringen af ​​komplementære sekvenser, syede arkets kanter sammen for at danne en hul terning med et hængslet låg.

For at gøre låget låsbart, lavede Kjems og hans kolleger to bittesmå DNA-låse med klæbrige ender. Under normale omstændigheder klæber låsene til kassen og holder den lukket. Men når de to tilsvarende DNA-nøgler tilføjes, binder låsene sig til dem i stedet, så låget kan åbnes. Et par farvestofmolekyler, et fastgjort til boksens kant og et andet til dens låg, lyser rødt, når det er tæt sammen og grønt, når det er langt fra hinanden, hvilket giver en nem måde at registrere, om en kasse er lukket eller åben.

Tænke ud af boksen: Nano-kasserne, som her er modelleret i gråt, kan en dag transportere stoffer til bestemte destinationer i kroppen eller tjene som logiske porte i en DNA-baseret computer. Hver kasses låg er normalt lukket med to par komplementære DNA-stykker (blå og orange). Men når tilsvarende DNA-nøgler (også blå og orange) føjes til blandingen, forstyrrer de låsene og tillader lågene at åbne. Fluorescerende farvemarkører lyser rødt, når en boks er lukket, og grønt, når den er åben.

Med tredimensionelle strukturer som denne, er den virkelige udfordring ikke at designe objektet, men at bevise, at det med succes er dannet, siger Paul Rothemund , en datalog ved California Institute of Technology, som udviklede en simpel teknik til at lave DNA-strukturer. Forskerne brugte flere forskellige billeddannelsesmetoder for at sikre, at kasserne samlede sig som planlagt. De gjorde et meget overbevisende stykke arbejde med at vise, at de lavede, hvad de troede, de lavede, hvilket er virkelig vigtigt, siger Rothemund. Og nu er de fri til at prøve at uddybe det og få det til rent faktisk at gøre noget.

Kjems har flere ideer til, hvad kasserne kan. En mulighed er at fylde dem med lægemidler og programmere lågene til at åbne sig som reaktion på et biologisk signal inde i kroppen - for eksempel tilstedeværelsen af ​​et virus eller et kræftgen - og derved frigive deres terapeutiske last.

Der er en måde, hvorpå de er mere interessante end næsten enhver anden nano-indkapslingsordning, du kan tænke på til det formål, fordi de har disse uendeligt programmerbare låg, siger Rothemund. Det er noget, som ingen anden form for nano-drug-leveringskapsel kan tilbyde.

Terapeutiske anvendelser er dog stadig langt væk. Selvom kasserne teoretisk set er solide nok til at forhindre store molekyler i at sive ud og rummelige nok til at omslutte et ribosom eller en lille virus, har forskerne endnu ikke forsøgt at putte noget i dem. Og indtil videre fungerer kasserne kun inde i et reagensglas. I modsætning til nogle andre nano-leveringskøretøjer er der endnu ingen beviser for sikkerheden eller effektiviteten af ​​DNA-baserede enheder i levende systemer.

Men låsekasserne behøver ikke bære en nyttelast for at vise sig nyttige. Kjems forestiller sig også at gøre dem til elektroniske komponenter. Fordi de har to forskellige nøgler, fungerer boksene som OG-porte, der kun åbner (og lyser grønt), når begge nøgler er til stede. Med et par enkle justeringer kunne de også fungere som IKKE-porte eller ELLER-porte. I princippet, siger Kjems, kunne man bygge en DNA-computer ved hjælp af disse kasser.

skjule