211service.com
Nanokonstruktion med buet DNA
DNA-nanoteknologi bruger de unikke fysiske egenskaber ved DNA-molekyler til at designe og skabe strukturer i nanoskala, med håbet om en dag at skabe bittesmå maskiner, der arbejder sammen ligesom dele af en celle. Men en af feltets udfordringer er at finde måder at designe og konstruere DNA-strukturer med høj præcision. En nylig undersøgelse offentliggjort i Videnskab markerer et gennembrud i forskernes evne til at forme DNA; den beskriver en måde at bygge tredimensionelle DNA-former med udførlige drejninger og kurver med hidtil uset præcision, udviklet af forskere ved Harvard og det tekniske universitet i München i Tyskland.
Fast gear: En ny metode til at designe tredimensionelle former ud fra DNA gør det muligt at skabe buede dele, herunder dette nanoskala gear med tolv tænder.
Hao Yan , en biokemiprofessor ved Arizona State University, som ikke var involveret i undersøgelsen, siger, at arbejdet tilføjer et nøgleniveau af kontrol over tidligere metoder. Jeg tror, vi kan sige, at det er muligt at skabe enhver form for arkitektur ved hjælp af DNA, siger han.
En vigtig fordel ved at bruge DNA som byggemateriale er, at det er programmerbart. DNA-molekyler består af strenge af forbundne nukleotidbaser af fire typer: A, T, G og C. Disse baser klæber til baserne på en anden DNA-streng efter en simpel regel: A parrer med T, og C parrer med G. Ved at skabe DNA-sekvenser med komplementære baser på forskellige strenge, er det derfor muligt at designe DNA-molekyler, der selv samler sig til bestemte former efter forudsigelige regler.
Tidligere arbejde brugte en metode kaldet DNA-origami til at designe todimensionelle former ud fra DNA; yderligere undersøgelser har bygget på denne tilgang til at skabe former i tre dimensioner. DNA-origami bruger en meget lang DNA-streng, kaldet stilladset, og hundredvis af kortere strenge, kaldet hæfteklammer. Hæfterne binder sig til stilladset på bestemte steder baseret på deres rækkefølge, klemmer stilladset og tvinger det til at fordobles mange gange for at skabe et ark i en bestemt form.
Det Videnskab undersøgelse udvider arbejdet med det samme team af forskere, tilpasser DNA-origami-metoden til at skabe mere komplekse tredimensionelle former. Tidligere har teamet designet DNA til at danne helixer bundtet af tværbundne hæftestrenge i et honeycomb-lignende gitter. I den aktuelle undersøgelse introducerede forskerne bøjninger og drejninger i disse former ved at tilføje eller slette baser på bestemte punkter i stilladset, ændre de lokale kræfter, som helixerne udøver på hinanden og tvinge hele strukturen til at krumme til højre eller venstre. De fandt ud af, at de kunne kontrollere graden af krumning med stor præcision og opnå skarpe bøjninger svarende til dem i det tætsårede DNA, der findes i celler.
Forskerne skabte objekter, herunder nanoskala gear, en wireframe strandkugleformet kapsel og trekanter med enten konkave eller konvekse sider. Shawn Douglas , en medforfatter ved Harvard University, udviklede et offentligt tilgængeligt computerstøttet designprogram, der kan tjene som en visuel grænseflade til at designe DNA-formerne.
Bøjelige molekyler: Et bundt af DNA-spiraler (øverste række) kan bringes til at bøje i præcise vinkler (de andre rækker) ved at indføre eller slette basepar i DNA-sekvensen.
William Shih , en medforfatter af undersøgelsen og assisterende professor i biologisk kemi og molekylær farmakologi Harvard Medical School, siger, at evnen til at lave buede strukturer tilføjer et vigtigt element til DNA nanoscience værktøjskassen. Han påpeger, at objekter som ringe, fjedre og tandhjul er vigtige for maskiner på makroskalaen, mens celler også indeholder elementer med buede dele, hvilket tyder på, at disse egenskaber er vigtige på nanoskalaen. Hvis vi ikke havde denne generelle byggeevne, ville vi være handicappede i vores evne til at bygge nyttige enheder, siger han.
Chengde Mao , en lektor i analytisk kemi ved Purdue University, kalder præstationen overraskende og siger, at hans eget laboratorium har forsøgt at lave lignende strukturer og mislykkedes. Han siger ikke kun, at værket viser, at DNA kan vrides og bøjes i ekstreme grader, men at en af de gode ting er, at det er en rigtig glat kurve, hvorimod andre forsøg har resulteret i former, der er pixleret.
De praktiske anvendelser af teknikken er stadig uklare, men der er mange muligheder. Da DNA-formerne beskrevet i Videnskab papir er på størrelse med en gennemsnitlig virus, siger Shih, at de måske kunne designes til at trænge ind i en celle som en virus for at frigive et lægemiddel. DNA-dele kan også bruges til at designe molekylær elektronik, som en dag kan tilbyde et nyt niveau af miniaturisering for hurtigere computere.
Yan siger, at undersøgelsen bidrager til DNA'ets imponerende evner, men tilføjer, at videnskabsmænd er nødt til at studere disse strukturer yderligere for at se, hvor stabile de er, og hvor godt de holder sig over tid.