Isotherme Selbstorganisation von mehrkomponentigen und evolutiven DNA-Nanostrukturen

Mehrere komplementäre DNA-Stränge können thermisch zu gewünschten Einheiten zusammengefügt werden, um DNA-Nanostrukturen zu konstruieren. In einer neuen Studie, die jetzt veröffentlicht wurde Natur-NanotechnologieCaroline Rossi-Gendron und ein Team von Forschern aus Chemie, Materialwissenschaften und Biologie in Frankreich und Japan verwendeten einen Magnesium-freien Puffer, der Natriumchlorid enthielt, um komplexe Cocktails aus DNA-Strängen und Proteinen isotherm bei Raumtemperatur oder physiologischer Temperatur selbst zu organisieren benutzerdefinierte Nanostrukturen einschließlich Nanogitter, DNA-Origami und einsträngige Fliesenanordnungen.

Diese Selbstorganisation beruhte auf der Thermodynamik und verlief über mehrere Faltungswege, um hochgradig konfigurierbare Nanostrukturen zu erzeugen. Die Methode ermöglichte die Selbstauswahl der stabilsten Form in einem großen Pool konkurrierender DNA-Stränge. Interessanterweise kann DNA-Origami durch den Austausch konstitutiver Klammerstränge isotherm von einer anfänglich stabilen Form in eine völlig andere Form übergehen. Dadurch wurde die Sammlung von Formen und Funktionen, die durch isotherme Selbstorganisation erhalten wurden, erweitert, um die Grundlage für adaptive Nanomaschinen zu schaffen und die evolutionäre Entdeckung von Nanostrukturen zu erleichtern.

Selbstorganisation in der Natur und im Labor

Selbstorganisation tritt auf, wenn natürlich vorkommende oder rational gestaltete Einheiten die notwendigen Informationen einbetten können, um spontan zu interagieren und sich selbst zu organisieren funktionelle Aufbauten von Interesse. Typischerweise entstehen synthetische selbstorganisierte Materialien durch die Organisation einer sich wiederholenden Einzelkomponente, um eine stabile supramolekulare Anordnung zu schaffen, die Mizellen oder kolloidale Kristalle mit einem vorgeschriebenen Satz nützlicher Eigenschaften enthält. Solche Konstrukte sind nur begrenzt rekonfigurierbar, was es äußerst schwierig macht, die gewünschten Strukturen herzustellen.

Strukturell DNA-Nanotechnologie erforscht das sequenzabhängige Basenpaarungsprinzip zwischen synthetischen DNA-Einzelsträngen, um diese Herausforderung zu meistern und vielfältige und ausgefeilte Überstrukturen mit einer beabsichtigten Form, Größe und funktionellen Spezifität im großen Maßstab mit einer Reihe von Anwendungen zusammenzustellen. Mehrkomponentenstrukturen entstehen typischerweise aus einem thermischen Annealing-Prozess, bei dem die DNA-Mischung zunächst über ihre Schmelztemperatur erhitzt und dann langsam abgekühlt wird, um kinetische Fallen zu vermeiden und sicherzustellen sequenzspezifische DNA-Hybridisierung.

Strukturelle DNA-Nanotechnologie

Thermisches Tempern kann die Möglichkeit einer spontanen Nanostrukturbildung unter festgelegten Bedingungen verhindern. In dieser Arbeit beschrieben Rossi-Gendron und Kollegen daher, dass die Hauptmethode der strukturellen DNA-Nanotechnologie auf dem gleichen Prinzip der generischen isothermen DNA-Selbstorganisation beruht, um benutzerdefinierte, komplexe DNA-Nanostrukturen wie z DNA-Origami und DNA-Nanogitter. Das Forschungsteam untersuchte die strukturelle Komplexität von DNA-Origami-Designs und sich selbst wiederholenden Nanogittern Rasterkraftmikroskopie um die Vielfalt der Faltungswege in selbstorganisierenden 2D-Origami-Formen aufzudecken.

DNA-Origami durch Selbstorganisation in Natriumchlorid

Das Team führte eine Reihe von Experimenten in einer thermodynamisch regulierten isothermen Selbstorganisationsumgebung durch, um die Formumwandlung abzuschließen. Dies gelang ihnen, indem sie ohne thermische Vorbehandlung eine DNA-Origami-Mischung zusammenstellten und die Konstrukte mehrere Stunden lang in einem herkömmlichen Puffer inkubierten. Als zuvor beobachtetUnabhängig von der Inkubationszeit zeigten die Ergebnisse keine Bildung richtig geformter Objekte.

Das Team entschied sich für einen alternativen Puffer, der mit einwertigen Salzen angereichert war, um den Austausch und die Neukonfiguration der Klammern zu fördern, und beobachtete die bemerkenswerte Bildung richtig gefalteter scharfer Dreiecke bei Raumtemperatur innerhalb weniger Stunden. Diese Ergebnisse stimmten über alle mittleren Salzkonzentrationen hinweg überein. Die Forscher zeigten, wie die isotherme Selbstorganisation in Puffer elektrostatisch gesteuert werden kann, um in einem breiten Temperaturfenster eine Vielzahl maßgeschneiderter Nanostrukturen zu erzeugen.

Sie untersuchten das Konzept der isothermen Selbstorganisation von 3D-Origami, um die Möglichkeit einer spontanen Selbstorganisation bei Raum- oder Körpertemperatur ohne thermische Vorbehandlung hervorzuheben und eine Vielzahl von Morphologien zu erzeugen, um die Vielseitigkeit der Selbstorganisation zu veranschaulichen. Dennoch verdeutlichte die sehr geringe Ausbeute der Konstrukte die derzeitige Einschränkung, die durch Optimierung des Nanostrukturdesigns überwunden werden kann.

Vielzahl von Faltungswegen und Formänderungen

Rossi-Gendron und Kollegen untersuchten die Mechanismen der isothermen Selbstorganisation weiter, indem sie eine Methode entwickelten, um den Faltungsweg von 2D-DNA-Origami in Echtzeit zu verfolgen. Die Arbeit zeigte, dass das Erreichen der Gleichgewichtsstruktur für ein einzelnes Origami nicht davon abhängt ein spezifischer Faltungswegsondern verlässt sich stattdessen auf mehrere Pfade, bis die angestrebte Gleichgewichtsform erreicht ist.

Teilweise gefaltete Strukturen zeigten unterschiedliche anfängliche Faltungszustände, was darauf hindeutet, dass mehrere Faltungspfade nicht auf einer oberflächenunterstützten Selbstorganisation beruhten. Die Ergebnisse kommen zu dem Schluss, dass die isotherme Origami-Bildung ein thermodynamisch regulierter Prozess ist, bei dem die Strukturen durch Selbstorganisation einen Gleichgewichtszustand erreichen. Als das Team die Origami-Formen einer Reihe konkurrierender Grundnahrungsmittel aussetzte, stellte es fest, wie die Selbstorganisation zu einer spontanen Entwicklung von der Origami-Form zu einem völlig anderen stabilen Konstrukt führte, um ein thermodynamisch begünstigtes Ergebnis der Formänderung zu erzielen.

Ausblick

Auf diese Weise verwendeten Rossi-Gendron und Kollegen einen generischen Salzpuffer und eine hochgradig aus mehreren Komponenten bestehende Mischung von DNA-Strängen, um sich bei konstanter Temperatur über einen Temperaturbereich hinweg spontan selbst zu organisieren und richtig geformte Objekte wie Origamis oder DNA-Nanogitter zu bilden. Diese Ergebnisse erzielten sie bei Raumtemperatur für eine schrittweise thermodynamisch gesteuerte Selbstorganisation. Die Ergebnisse deuteten auf die Möglichkeit dynamischer Funktionen in Umgebungen und lebenden Systemen mit festen Temperaturen für die Entdeckung von Nanostrukturen unter Verwendung großer Bibliotheken von DNA-Komponenten hin.

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