Programmierbare Kleber aus DNA leitet kleinen Gel- Steine ​​zur Selbstorganisation

Ein Team von Forschern an der Wyss Institut für Biologisch inspirierte Engineering an der Harvard University hat einen Weg gefunden, Selbstorganisation komplexer Strukturen aus Stein, kleiner als ein Körnchen Salz. Die neue Methode könnte zur Lösung eines der großen Herausforderungen im Tissue Engineering : Entwicklung injizierbarer Komponenten, die Selbstorganisation zu kompliziert strukturiert, biokompatiblen Stützgerüste mit einer Verletzungsstelle zu helfen nachwachsen menschlichen Geweben .

Der Schlüssel für die Selbstorganisation war die Entwicklung der weltweit ersten programmierbaren Leim. Der Klebstoff wird aus DNA , und es lenkt spezifischen Steine ​​eines mit Wasser gefüllten Gels nur aneinander kleben , berichten die Forscher in der September- 9 online -Ausgabe von Nature Communications.

" Durch die Verwendung von DNA- Kleber zu gelieren Steine ​​zu führen Selbstorganisation , schaffen wir anspruchsvollen, programmierbaren Architektur ", sagt Peng Yin, Ph.D., ein Core- Mitglied der Fakultät an der Wyss Institut und Senior Co-Autor der Studie. Yin ist auch ein Assistant Professor für Systembiologie an der Harvard Medical School. Diese neuartige Selbstorganisationsverfahrengearbeitet Gelwürfel so klein wie ein winziges Stück Schlick ( 30 Mikrometer Durchmesser) , um so groß wie ein Sandkorn ( 1 mm Durchmesser) , unterstreicht der Methode Vielseitigkeit.

Die programmierbare DNA Kleber könnte auch mit anderen Materialien verwendet werden, um eine Vielzahl von kleinen , selbstorganisierende Geräte, einschließlich Linsen und rekonfigurierbare Mikrochips sowie chirurgische Kleber , die zusammen nur die gewünschten Gewebe stricken könnte zu schaffen , sagte Ali Khademhosseini , Ph.D. , Associate Fakultätsmitglied an der Wyss Institut wer ist der andere leitende Co-Autor der Studie.

DNA macht Kleber programmierbaren weil ein Strang der DNA wird fest an einem passenden Partner -Strang zu bleiben, aber nur, wenn die beiden Stränge chemisch " Buchstaben " oder Nukleotiden , die komplementär sind (A bis T, C und G) . Gel Ziegel mit passenden Stränge der DNA beschichtet haften spezifisch aneinander .
Bildnachweis: Wyss Institut für Biologisch inspirierte Engineering an der Harvard University

"Es könnte für etwas , wo Sie wollen würde eine programmierbare Kleber Montage von Strukturen höherer Ordnung induziert arbeiten , mit großer Kontrolle über ihre endgültige Architektur - und das ist sehr aufregend", sagte Khademhosseini , der auch ein Associate Professor an der Harvard- MIT Fachbereich für Gesundheitswissenschaften und Technologie, Brigham and Women s Hospital und der Harvard Medical School .

Um Geräte oder ihre Einzelteile zu fertigen , die Hersteller oft mit einem einzigen Materialstück starten, dann ändern Sie es , bis es die gewünschten Eigenschaften aufweist . In anderen Fällen , beschäftigen sie die gleiche Strategie wie Automobilhersteller , dass Komponenten mit den gewünschten Eigenschaften , so zusammenzusetzen , um die endgültige Vorrichtung zu erzeugen . Lebende Organismen herzustellen ihrem Gewebe eine ähnliche Strategie , in denen verschiedene Arten von Zellen lagern sich zu Funktionsbausteine​​, die den entsprechenden Gewebefunktion zu erzeugen. In der Leber zum Beispiel die Funktionsbausteine​​sind kleine Gewebeeinheitengenannt Läppchen . Im Muskelgewebe , die funktionalen Bausteine ​​Muskelfasern.

Wissenschaftler haben versucht, diese Fertigungsstrategie durch die Entwicklung von selbstorganisierenden Systemen , Geräte herzustellen imitieren. Zum Beispiel im letzten Jahr Yin, und sein Team in Science berichteten, dass sie winzige " DNA- Bausteine" kleiner als der kleinste Virus, der Selbstorganisation zu komplexen 3D-Strukturen im Nanobereich entwickelt.

Nun , er und Khademhosseini versucht, eine ähnliche programmierbare , selbstorganisierende System zur mesoskaligen Komponenten zu erstellen - die mit Kantenbreiten von 30 Mikrometer bis 1000 Mikrometer (1 Millimeter). Sie konzentrierten sich zunächst auf die Schaffung eines Selbstorganisationssystem , in dem Steine ​​von biokompatiblen , biologisch abbaubare Gele genannte Hydrogele Aufbau komplexer Strukturen . Für zukünftige Anwendungen kann kleine Hydrogel Ziegeln , die menschliche Zellen möglicherweise in den Körper injiziert werden. Die Steine ​​würden zusammenzusetzen, dann werden die Zellen zusammen stricken würde, funktionelles Gewebe zu bilden, wie die Hydrogele zusammenbrechen.

In früheren Versuchen zur Selbstorganisation Hydrogel Steine ​​zu komplexen Strukturen , konfrontiert Wissenschaftler eine Herausforderung : die Steine ​​oft aufeinander , anstatt Montage glom in die gewünschte Architektur. Yin und Khademhosseini suchte nach einem Weg , um jede Komponente Stick nur auf bestimmte Partner , aber nicht auf andere Komponenten zu helfen. Mit anderen Worten , sie brauchten programmierbare Leim.

DNA war ideal für die Aufgabe. Es speichert genetische Information als eine Sequenz von vier chemischen " Buchstaben ", oder Nukleotide , dass bind in einer bestimmten Weise zu komplementären Nukleotiden (A bis T und C bis G) . Ein DNA-Einzelstrang haftet fest an einem zweiten Strang , aber nur, wenn der zweite Strang eine Sequenz von Nukleotiden, die komplementär zu dem ersten ist . Und selbst ein kurzes Stück DNA kann eine große Anzahl von möglichen Sequenzen , die den Kleber programmierbar macht.


Gel Steine ​​kleiner als ein Sandkorn ( links oben ) können so programmiert werden, durch Selbstorganisation komplexe Strukturen . Der Schlüssel ist die Befestigung Stecker Würfel mit passenden DNA- Klebstoff auf die Gel- Steine, die dazu bestimmt sind, paaren beschichtet.
Bildnachweis: Wyss Institut für Biologisch inspirierte Engineering an der Harvard University

Die Forscher verwendeten Enzyme, um einen Ausschnitt der DNA in langen DNA-Stücke als " Riesen -DNA" , die mehrere Kopien dieser Schnipsel enthalten vermehren. Wenn sie beschichtet Hydrogel Würfel mit riesigen DNA , die Würfel nur an Partner Würfel mit passenden riesigen DNA beschichtet halten . Da Wissenschaftler Schnipsel von DNA mit beliebiger Reihenfolge sie wollen, zu synthetisieren , das bedeutete, dass riesige DNA diente als programmierbare DNA Leim.

Um Hydrogel Würfel zu größeren Strukturen zusammenzusetzen, verwendet sie kleiner Würfel als Hydrogel -Anschlüsse. Sie aufgetragen den Verbinder Würfel mit ihrer DNA -Kleber, dann befestigt er eine der sechs Flächen eines größeren Würfels. Ein großer Würfel ausgestattet diese Weise nur auf andere große Würfel , dessen Anschlüsse hatte DNA Kleber passend eingehalten werden.

Indem Stecker Würfel auf verschiedenen Gesichter der größeren Würfel , programmiert sie größere Würfel Selbstorganisation zu bestimmten Formen , darunter ein passendes Paar von Würfeln, einer linearen Kette , einem Quadrat und einem T-förmigen Struktur .

Das Verfahren war so spezifisch, dass , wenn die Forscher platziert 25 paarweise mit identischer Würfel in einem einzigen Topf, alle Würfel und nur an ihre Partner haften. Diese Fähigkeit, mehrere Komponenten gleichzeitig zu montieren heißt Multiplexität , und die Ergebnisse zeigen , dass das neue System hat den höchsten Grad der Multiplexität aller vorhandenen Mesoscale Selbstmontagesysteme.

" Entwerfen einer Strategie, die die Kraft der Selbstorganisation lebender Systeme mit dem Bau der Gewebe aus winzigen Bauteile stellt einen völlig neuen Ansatz für das Tissue Engineering direkt verwendet nutzt ", sagte Don Ingber , MD, Ph.D. , Gründungsdirektor des Wyss -Instituts . " Peng und Ali haben eine elegante und einfache Methode , die Gewebe erlauben könnte von innen nach einer einfachen Injektion rekonstruiert werden , anstatt dass eine größere Operation erstellt. "