Forscher skizzieren die Zukunft der Nukleinsäure-Nanotechnologie

Gefangen in einem mikroskopisch kleinen Käfig aus DNA-Strängen bahnen sich Moleküle eines lebensrettenden Medikaments ihren Weg durch den Blutkreislauf eines Krebspatienten. Nur wenn Rezeptoren an den Strängen spüren, dass sie an der richtigen Stelle angekommen sind – Krebszellen, die ein bestimmtes Protein überproduzieren oder ein anderes abnormales Verhalten zeigen – öffnet sich der Käfig, liefert das Krebsmedikament genau dorthin, wo es benötigt wird, und lässt die gesunden Zellen des Patienten zurück unversehrt.

Das ist ein Beispiel dafür, wie die Nukleinsäure-Nanotechnologie (NAN) allein – unter ausschließlicher Nutzung der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Nukleinsäuren DNA und RNA und nicht des genetischen Codes, den sie tragen – die Medizin revolutioniert.

Aber was wäre, wenn die einzigartigen Eigenschaften von DNA und RNA mit den unzähligen Vorteilen der Halbleitertechnologie kombiniert werden könnten? Zum Beispiel entwickeln Forscher eine künstliche Nase, indem sie Arrays von Miniatur-DNA-Molekularsensoren – jeder individuell angepasst, um ein anderes Molekül zu erkennen – an Siliziumchips anbringen. Dieser bioelektronische Sensor wird in der Lage sein, Tausende verschiedener Chemikalien im Körper oder in der Umwelt zu „erschnüffeln“.

In einem Artikel, der am 21. Oktober online veröffentlicht wurde Nanomaßstabüberprüften die NIST-Forscher J. Alexander Liddle und Jacob Majikes die vielen Facetten von NAN und kamen zu dem Schluss, dass die Technologie am vielversprechendsten ist, um eine Brücke zwischen der Welt der Biologie und der Halbleiter zu schlagen.

Einige Forscher und Fördereinrichtungen, stellten sie fest, erwarteten, dass NAN viele Aspekte der Halbleiterherstellung verdrängen und mit bestehenden Technologien für Anwendungen wie Archivspeicher konkurrieren könnte. Einige Wissenschaftler haben vorgeschlagen, dass sich die Stränge effizient selbst zusammensetzen könnten, um integrierte Schaltkreise aufzubauen.

Diese Bestrebungen seien jedoch wirtschaftlich nicht tragbar, beteuerten Majikes und Liddle. Fortschritte in der Halbleiterindustrie in den letzten zwei Jahrzehnten haben eine schnelle und kostengünstige Herstellung der Schaltungen ohne NAN ermöglicht. Obwohl die faszinierenden Möglichkeiten, die NAN bietet, Forscher weltweit inspiriert und angezogen haben, müssen bei der Vorhersage der Auswirkungen dieser Nanotechnologie wirtschaftliche Aspekte berücksichtigt werden, betonten die Forscher.

Förderagenturen, die den zukünftigen Nutzen von NAN beurteilen, sollten auch den großen Prozentsatz an Defekten – Montagefehlern – berücksichtigen, die in DNA-Strukturen inhärent sind, sagten Majikes und Liddle. Defekt zusammengesetzte Proteine ​​können bis zu 30 Prozent der Proteine ​​in Organismen ausmachen. Im Körper ist das kein Problem; Defekte Proteine ​​werden recycelt und beschädigte DNA repariert. Aber die Halbleiterindustrie kann Defekte auf einem Niveau von mehr als einem Billionstel nicht tolerieren.

Der hohe Anteil an Defekten macht NAN zu einer schlechten Wahl für die Herstellung elektronischer Geräte mit dem Standardansatz „von unten nach oben“ – beginnend mit DNA-Strängen und deren Aufbau, um größere, komplexere Geräte herzustellen – stellten Liddle und Majikes fest. Stattdessen werden die vielversprechendsten Anwendungen von NAN entstehen, indem DNA- oder RNA-Stränge mit bestehenden biologischen, pharmazeutischen und elektronischen Geräten kombiniert werden, prognostizierten die NIST-Forscher.

Durch die Integration von NAN- und Halbleitertechnologie könnten Biosensoren entstehen, die von Smartphones überwacht und gesteuert werden könnten und die Erkennung von Chemikalien im Körper und in der Umwelt mit beispielloser Empfindlichkeit ermöglichen.

NAN bietet diese Möglichkeiten, da sich DNA-Stränge auf vorhersehbare und kontrollierbare Weise leicht aneinander und an eine Vielzahl anderer Moleküle binden.

Die Vielseitigkeit der DNA liegt in ihrer Struktur, der berühmten verdrehten Leiter oder Doppelhelix. Zwei lange parallele Ketten aus Zucker- und Phosphatmolekülen bilden die Schienen der Leiter, während die Sprossen aus Molekülpaaren bestehen, die Basen genannt werden. Die Anordnung der Basen, von denen es nur vier gibt, codiert die Blaupause für das Leben, aber die Basen können ausgetauscht oder ersetzt werden, um Strukturen zu schaffen, die unterschiedlich empfindlich auf eine Vielzahl von Chemikalien reagieren.

Die Basen und Zucker entlang eines DNA-Strangs bleiben aneinander gebunden, weil sie ein oder mehrere Elektronenpaare teilen, eine Partnerschaft, die als kovalente Bindung bekannt ist. Indem eine einzelne Base durch einen chemischen Anker ersetzt wird, oft an einem Ende eines Strangs, kann die verbleibende DNA-Struktur eine kovalente Bindung verwenden, um sich an ein Molekül zu binden, das mit einem Goldpartikel oder einer Halbleitervorrichtung verbunden ist. Tatsächlich stellt die Industrie seit Jahren künstliche DNA-Stränge her, die jeweils darauf zugeschnitten sind, sich an eine andere Gruppe von Molekülen zu binden.

Obwohl die doppelsträngige Helix, die stark und starr ist, die bekannteste Form der DNA ist, kann sie auch die Form von Einzelsträngen annehmen, die schlaff und locker sind. Wie Legosteine ​​zusammengefügt, können Ketten aus Einzel- und Doppelsträngen dann eine Vielzahl von Formen annehmen, die sich bewegen und vibrieren.

Diese Eigenschaften ermöglichen es einer DNA-basierten Struktur, mit einer Krebszelle oder einem anderen Ziel zusammenzupassen, „weil wir sowohl die Form als auch die Flexibilität der Struktur leicht so manipulieren können, dass sie dort passt, wo wir sie haben wollen, auf einem Protein oder Nanopartikel oder einer Zelle halten Sie es auch von Einbauorten fern, an denen wir es nicht haben wollen“, bemerkte Majikes.

„Wir sehen jetzt DNA-Stränge als den ‚Kleber‘, der viele bestehende biologische, pharmazeutische und elektronische Geräte und Fähigkeiten zusammenhalten und integrieren könnte“, sagte Majikes. „Diese Produkte werden sehr vielfältig sein, aber im Allgemeinen Medikamente intelligenter machen und elektronische Sensoren nuancierter und molekülspezifischer machen“, fügte er hinzu. „NAN ist im Wesentlichen ein universelles Verbindungsglied zwischen fast allen nanoskaligen Werkzeugen, egal ob es sich um Proteine, Nanopartikel oder Elektroden handelt.“