Selbstorganisierende DNA Käfige könnte eines Tages liefern Medikamente oder Haus kleinen Bioreaktoren oder photonische Bauelemente

Bewegen Sie über , Nanotechnologen , und machen Platz für das größte der kleinen . Wissenschaftler an der Harvard Wyss Institute haben eine Reihe von selbstorganisierende DNA Käfige ein Zehntel so groß wie ein Bakterium gebaut. Die Strukturen sind einige der größten und komplexesten Strukturen überhaupt nur aus DNA konstruiert , berichten sie online in Science .

Zudem visualisiert die Wissenschaftler sie mit Hilfe eines DNA-basierten Super-Resolution -Mikroskopie -Methode - und erhalten die ersten scharfen optischen 3D- Bilder von intakten synthetische DNA- Nanostrukturen in Lösung .

In Zukunft könnten Wissenschaftler Beschichtung der DNA Käfige , um ihren Inhalt zu umschließen , Verpackung Medikamente für die Lieferung an Gewebe. Und wie ein besonders Schrank, der Käfig kann mit chemischen Haken, die verwendet werden könnten , um andere Komponenten , wie beispielsweise Proteine ​​oder Goldnanopartikel hängen modifiziert werden. Dies könnte dazu beitragen, Wissenschaftler bauen eine Vielzahl von Technologien , einschließlich der kleinen Kraftwerken , Fabriken, die winzigen Spezialchemikalien, oder hochempfindliche photonische Sensoren, die Krankheit zu diagnostizieren durch Erfassen Moleküle durch abnorme Gewebe erzeugt produzieren .

"Ich für diese Technologie finden Sie interessante Möglichkeiten ", sagte Peng Yin , Ph.D., ein Core- Mitglied der Fakultät an der Wyss Institut und Assistant Professor für Systembiologie an der Harvard Medical School , und leitende Autor des Papiers.

Gebäude mit DNA


Die fünf käfigförmige DNA -Polyeder hier Streben stabilisieren ihre Beine , und diese Innovation erlaubt eine Wyss Institut Team mit Abstand größten und robustesten DNA Käfige noch bauen. Die größte , ein hexagonales Prisma (rechts) ist ein Zehntel der Größe einer durchschnittlichen Bakterium .
Bildquelle : Yonggang Ke / Harvard Wyss Institut

DNA ist am besten als Hüter von genetischer Information bekannt. Doch die Wissenschaftler in dem aufstrebenden Gebiet der DNA-Nanotechnologie erforschen Möglichkeiten, es zu verwenden, um winzige Strukturen für eine Vielzahl von Anwendungen zu erstellen . Diese Strukturen sind programmierbar, dass Wissenschaftler die Buchstabenfolge oder Basen zu spezifizieren, in der DNA , und die Sequenzen zu bestimmen , dann die Struktur schafft .

So weit die meisten Forscher auf dem Gebiet haben eine Methode namens DNA-Origami , in dem kurze DNA-Stränge Klammer zwei oder drei Segmente eines viel längeren Strang zusammen , was , dass Strang in eine präzise Form falten verwendet . DNA-Origami wurde zum Teil von Wyss Institut Kern Fakultät Mitglied William Shih , Ph.D., der auch ein Associate Professor in der Abteilung für Biologische Chemie und Molekulare Pharmakologie an der Harvard Medical School und dem Department of Cancer Biology am Dana-Farber Pionier Cancer Institute .

Yin Team hat verschiedene Arten von DNA-Strukturen , einschließlich eines modularen Satz genannt einzelsträngige DNA- Fliesen oder DNA Ziegeln. wie LEGO

Aber für einige Anwendungen kann Wissenschaftler müssen viel größere DNA-Strukturen zu bauen , als man bisher gebaut. Also, um ihre Toolkit hinzuzufügen , suchte Yin -Team viel größere Bausteine ​​zu entsprechen.

Technische Herausforderungen

Yin und seine Kollegen DNA-Origami zuerst verwendet, um extra große Bausteine ​​der Form des Stativ eines Fotografen zu erstellen. Der Plan war, diese Stativbeine zu konstruieren , um End- to-End- zu befestigen , um Polyeder bilden - Objekte mit vielen ebenen Flächen , die sich selbst sind Dreiecke , Rechtecke oder andere Polygone .

Aber wenn Yin und drei führenden Autoren des Papiers , Ryosuke Iinuma , ein ehemaliger Wyss Institut Visiting Fellow , Yonggang Ke , Ph.D., ein ehemaliger Postdoc Wyss , der jetzt ein Assistant Professor für Biomedizinische Technik an der Georgia Institute of Technology und der Emory University und Ralf Jungman , Ph.D , ein Wyss Postdoc , gebaut größeren Stative und versuchte, sie in Polyeder zusammenzubauen, die große Stative ' Beine spreizen und wackeln , was sie davon ab, Polyeder haupt gehalten .

Die Forscher herum dieses Problem durch den Bau in eine horizontale Strebe , jedes Paar Beine zu stabilisieren , so wie ein Möbelhersteller würde ein Stück Holz zu verwenden, um die Beine von einem wackeligen Stuhl zu überbrücken.

Um die Stativbeine zusammenkleben Ende -zu-Ende , nahmen sie sich die Tatsache zunutze , dass passenden DNA-Stränge paaren und aneinander haften . Sie ließen einen Tag der DNA hängen von einem Stativbein und einen passenden Tag auf dem Bein eines anderen Stativs , dass sie wollte, dass es mit koppeln.

Das Team programmierte DNA in stabile Stative 60 -mal größer als die bisherigen DNA - Stativ wie Bausteine ​​und 400 -mal größer als DNA Ziegel falten. Jene Stative dann selbstorganisierten in eine spezifische Art von dreidimensionalen Polyeders - alle in einem einzigen Reagenzglas.

Durch die Anpassung der Länge der Strebe , bauten sie Stative , die aus aufrecht zu splay Beinen lag . Aufrechtere Stative gebildet Polyeder mit weniger Seitenflächen und schärferen Winkel , wie beispielsweise ein Tetraeder , die vier dreieckigen Flächen hat . Weitere splay - Beinstativ ausgebildet Polyeder mit mehreren Flächen , wie beispielsweise einem sechseckigen Prisma, das wie ein Käselaib geformt ist und acht Flächen , einschließlich seiner oberen und unteren .

Insgesamt schufen sie fünf Polyeder : ein Tetraeder , ein dreieckiges Prisma , einen Würfel , ein Pentaprisma und einen sechseckigen Prismas .

Ultrasharp- Snapshots

Nach dem Aufbau der Käfige , visualisiert die Wissenschaftler sie mit Hilfe eines DNA-basierte Mikroskopieverfahren Jungmann hatte geholfen entwickelt namens DNA -PAINT . In DNA -PAINT , um kurze DNA -Stränge modifiziert Ursache Punkte auf einer Struktur zu blinken , und die Daten von den blinkenden Bilder zeigen Strukturen zu klein, um mit einem herkömmlichen Lichtmikroskop gesehen werden. DNA -PAINT produziert Ultramomentaufnahmender Forscher DNA Käfigen die ersten 3D -Snapshots immer von einzelnen DNA-Strukturen in ihrer nativen , wässrigen Umgebung .

" Bioengineers Interessenten bei der Förderung der Nanotechnologie müssen Fertigungsverfahren, die stabilen Komponenten in einem sehr robusten Art und Weise zu bauen entwickeln , und entwickeln Selbstorganisationsmethoden , die Bildung von Nanometer-Bauteilen mit definierten Strukturen und Funktionen zu ermöglichen ", sagte Wyss Institut Gründungsdirektor Don Ingber , MD, Ph.D. " Peng DNA Käfige und seine Methoden zur Visualisierung des Prozesses in Lösung darstellen große Fortschritte auf diesem Weg. "