3D-DNA-nanostructuren

Het DNA vouwen DNA-nanotechnologie die lijkt op het vouwen van papier, werd ongeveer 30 jaar geleden ontwikkeld. In 2006 demonstreerde Paul Rothemund van het California Institute of Technology het vouwen van lange strengen DNA in een breed scala van vooraf bepaalde vormen. De resulterende nanostructuren kunnen worden gebruikt als steigers of als miniatuurprintplaten voor het nauwkeurig samenstellen van componenten zoals koolstofnanobuisjes en nanodraden. Maar om DNA-structuur van verschillende vouwen te maken, moeten honderden "nietjes" worden toegevoegd aan de regio's rond de enkele DNA-strengen, en voor het maken van nieuwe nanostructuren is een nieuwe set nietjes nodig. Bovendien hebben de DNA-structuren de neiging om zichzelf willekeurig op een substraatoppervlak te rangschikken, waardoor het moeilijk is om ze later in elektronische circuits te integreren. DNA-steen Om de bovenstaande moeilijkheid te overwinnen hebben onderzoekers van de Harvard University in de VS een techniek ontwikkeld om zeer complexe 3D-nanostructuren te maken door synthetische DNA-"stenen" samen te voegen. De stenen, die als kleine stukjes LEGO zijn, kunnen in een grote verscheidenheid aan vormen en configuraties worden geassembleerd om uitgebreid ontworpen nanostructuren te bouwen. Onderzoekers maakten DNA-stenen door zelfassemblage, te beginnen met lange DNA-strengen door korte, synthetische DNA-strengen aan elkaar te koppelen om grotere structuren te maken door de lokale interacties tussen de strengen op geschikte wijze te beheersen. De techniek is gebaseerd op de DNA-zelfassemblagemethode met behulp van de vier basenparen in DNA - adenosine, thymine, cytosine en guanine, die van nature op specifieke manieren kunnen samenkomen om een ​​verzameling 2D-structuren te fabriceren. Techniek De techniek om een ​​3D-structuur te maken begint met een kleinere DNA-steenstreng van slechts 32 basen lang met vier regio's om te binden aan vier aangrenzende DNA-steenstrengen die over 90° zijn verbonden en in de ruimte zijn ingebouwd voor het creëren van een moleculaire DNA-kubus met honderden bakstenen. Elke DNA-structuur assembleert zichzelf tot een baksteen die is gecodeerd met een individuele sequentie die zijn uiteindelijke positie in de nanostructuur bepaalt. Elke reeks wordt alleen aangetrokken door een complementaire reeks, zodat specifieke vormen kunnen worden gecreëerd door de selectie van verschillende reeksen. Toepassingen Met behulp van de DNA-steentechniek kan heel eenvoudig een willekeurig aantal structuren worden gemaakt van dezelfde masterkubus door simpelweg subsets van specifieke DNA-stenen te selecteren. Er kunnen veel complexe vormen worden gemaakt met ingewikkelde holtes, oppervlaktekenmerken en kanalen die complexer zijn dan welke 3D-DNA-structuur dan ook die tot nu toe is geconstrueerd. Ook kunnen er modificaties worden aangebracht door DNA-stenen toe te voegen of te verwijderen zonder de hoofdstructuur te veranderen. De onderzoekers beweren dat veel geschikte technologisch relevante gastmoleculen kunnen worden opgenomen in functionele apparaten die kunnen dienen als programmeerbare moleculaire sondes, instrumenten voor biologische beeldvorming en voertuigen voor medicijnafgifte en om complexe anorganische apparaten met hoge doorvoer te fabriceren voor elektronica en fotonica-toepassingen. Ze beweren verder dat door gebruik te maken van synthetische polymeren in plaats van de natuurlijke vorm van DNA, het mogelijk kan zijn om functionele structuren te creëren die stabiel zijn in een grotere verscheidenheid aan verschillende omgevingen. De onderzoekers zeggen dat de structuren die zijn gemaakt met behulp van DNA-steentechniek kunnen worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen, zoals in slimme medische apparaten voor gerichte medicijnafgifte in het lichaam, programmeerbare beeldsondes en zelfs bij de vervaardiging van snellere en krachtigere computergestuurde chipcircuits.DNA-microchip Microchips worden gebruikt in computers, mobiele telefoons en andere elektronische apparaten. IBM bouwt DNA-microchips met behulp van DNA-nanostructuren. Dit is een poging om biologische moleculen te gebruiken om te helpen bij de verwerking in de halfgeleiderindustrie, omdat biologische structuren zoals DNA in feite een aantal zeer reproduceerbare, repetitieve soorten patronen bieden. Het zal de structuur zijn van de volgende generatie en chipmakers concurreren om de kleinste chips tegen een lagere prijs te ontwikkelen. Gendetectie Een gendetectieplatform gemaakt van zelf-geassembleerde DNA-nanostructuren is gemaakt met 100 biljoen reactieve en functionele DNA-componenten. Door bijgevoegde gedifferentieerde labels op massa te scannen, kan een duidelijke aflezing van de moleculaire samenstelling van een oplossing worden verkregen. Deze methode maakt het mogelijk om afzonderlijke moleculen te coderen voor eenvoudige identificatie en analyse.Bio-detectie Onderzoek van Amerikaanse onderzoekers heeft geleid tot nanostructuren die volledig zijn gemaakt van grafeen en DNA. Toen de interacties tussen de twee componenten werden gevolgd met behulp van een fluorescerend eiwit, bleek dat enkelstrengs DNA veel sterker interageert met de koolstofverbinding dan zijn dubbelstrengige broer of zus. Toen complementair DNA werd toegevoegd aan strengen die al op grafeen zaten, begon het markereiwit met hernieuwde kracht te gloeien, wat aangeeft dat nieuwe DNA-moleculen werden gevormd toen de eerste strengen zich scheidden van hun grafeensubstraat. Volgens de onderzoekers zou deze eigenschap de weg kunnen effenen voor het creëren van nieuwe klassen van biosensoren. Grafeen-DNA-nanostructuren zullen in ziekenhuizen worden gebruikt voor het detecteren van aandoeningen zoals kanker, toxines in rottend en veranderd voedsel en ook om pakketten te scannen die worden verdacht van het dragen van biologische wapens op eventuele sporen van ziekteverwekkers. DNA-machines Oxford Centre for Soft and Biological Matter meldt dat de elegante selectiviteit van Watson-Crick basenparing DNA een uiterst nuttig hulpmiddel maakt voor de constructie van objecten en machines op nanoschaal. Stabiele structuren en mechanische cycli kunnen worden geprogrammeerd in een systeem van enkelvoudige strengen door zorgvuldige keuze van de sequenties van basen.DNA-nanostructuur-scaffold Onderzoekers van de Arizona State University hebben verschillende vormen en maten van DNA-nanostructuren ontwikkeld die moleculen kunnen dragen om een ​​immuunrespons in het lichaam teweeg te brengen. Ze hebben al DNA-nanostructuren ontwikkeld die als steigermateriaal kunnen fungeren en synthetische vaccincomplexen gemaakt die lijken op natuurlijk virus zonder de ziektecomponent. Synthetische vaccincomplexen werden vervolgens bevestigd aan DNA-nanostructuren met piramidevorm en vertakkingsachtige structuren. Dit biedt een groot potentieel voor de ontwikkeling van gerichte therapieën.DNA-kristallen De scheikundigen van de New York University hebben driedimensionale DNA-structuren gecreëerd die een scala aan potentiële industriële en farmaceutische toepassingen hebben, zoals de creatie van nano-elektronische componenten en de organisatie van medicijnreceptordoelen om hun 3D-structuren te verlichten. De onderzoekers creëerden DNA-kristallen door het maken van synthetische DNA-sequenties die het vermogen hebben om zichzelf te assembleren tot een reeks 3D-driehoekachtige motieven. De creatie van de kristallen was afhankelijk van het aanbrengen van "kleverige uiteinden" - kleine samenhangende sequenties aan elk uiteinde van het motief - die zich hechten aan andere moleculen en ze in een vaste volgorde en oriëntatie plaatsen. Door de samenstelling van deze kleverige uiteinden kunnen de motieven op een geprogrammeerde manier aan elkaar worden gehecht. Door gebruik te maken van genetische manipulatietechniek werden meerdere helices aan elkaar gekoppeld via enkelstrengs kleverige uiteinden. Er werden roosterachtige structuren gevormd die zich in zes verschillende richtingen uitstrekken, waardoor een 3D-kristal werd verkregen.