Bewundern Sie die winzigen Nanostrukturen, die in den Forschungslabors der Duke University und der Arizona State University entstehen, und Sie können sich leicht vorstellen, dass Sie in einem Katalog der kleinsten Keramik der Welt stöbern.
Ein neues Papier enthüllt einige der Kreationen der Teams: klitzekleine Vasen, Schalen und Hohlkugeln, eine in der anderen versteckt, wie Haushaltswaren für eine russische Nistpuppe.
Aber anstatt sie aus Holz oder Ton herzustellen, entwarfen die Forscher diese Objekte aus fadenförmigen DNA-Molekülen, die mit Nanometer-Präzision zu komplexen dreidimensionalen Objekten gebogen und gefaltet wurden.
Diese Kreationen demonstrieren die Möglichkeiten eines neuen Open-Source-Softwareprogramms, das von Duke Ph.D. entwickelt wurde. Student Dan Fu mit seinem Berater John Reif. Beschrieben am 23. Dezember im Tagebuch Wissenschaftliche Fortschritteermöglicht die Software Benutzern, Zeichnungen oder digitale Modelle runder Formen zu nehmen und sie in 3D-Strukturen aus DNA umzuwandeln.
Die DNA-Nanostrukturen wurden von den Co-Autoren Raghu Pradeep Narayanan und Abhay Prasad im Labor von Professor Hao Yan im Bundesstaat Arizona zusammengesetzt und abgebildet. Jedes winzige hohle Objekt hat einen Durchmesser von nicht mehr als zwei Millionstel Zoll. Mehr als 50.000 davon passen auf einen Stecknadelkopf.
Aber die Forscher sagen, dass dies mehr als nur Nano-Skulpturen sind. Die Software könnte es Forschern ermöglichen, winzige Behälter zur Abgabe von Medikamenten oder Formen zum Gießen von Metallnanopartikeln mit bestimmten Formen herzustellen Solarzellen, medizinische Bildgebung und andere Anwendungen.
Für die meisten Menschen ist die DNA der Bauplan des Lebens; die genetischen Anweisungen für alle Lebewesen, vom Pinguin bis zur Pappel. Aber für Teams wie das von Reif und Yan ist die DNA mehr als ein Träger genetischer Informationen – sie ist Quellcode und Konstruktionsmaterial.
Es gibt vier „Buchstaben“ oder Basen im genetischen Code der DNA, die sich in unseren Zellen auf vorhersagbare Weise paaren, um die Sprossen der DNA-Leiter zu bilden. Es sind diese strengen Basenpaarungseigenschaften der DNA – A mit T und C mit G – die die Forscher kooptiert haben. Indem sie DNA-Stränge mit spezifischen Sequenzen entwerfen, können sie die Stränge so „programmieren“, dass sie sich selbst zu verschiedenen Formen zusammensetzen.
Das Verfahren beinhaltet das Falten eines oder einiger langer Stücke einzelsträngiger DNA, die Tausende von Basen lang sind, mit Hilfe von einigen hundert kurzen DNA-Strängen, die an komplementäre Sequenzen auf den langen Strängen binden und sie an Ort und Stelle „heften“.
Seit den 1980er Jahren experimentieren Forscher mit DNA als Baumaterial. Die ersten 3D-Formen waren einfache Würfel, Pyramiden, Fußbälle – geometrische Formen mit groben und blockigen Oberflächen. Aber das Entwerfen von Strukturen mit gekrümmten Oberflächen, die denen in der Natur ähnlicher sind, war schwierig. Ziel des Teams ist es, die Palette der mit dieser Methode möglichen Formen zu erweitern.
Zu diesem Zweck entwickelte Fu eine Software namens DNAxiS. Die Software basiert auf einer Möglichkeit, mit DNA zu bauen 2011 beschrieben von Yan, der vor 20 Jahren Postdoc bei Reif an der Duke war, bevor er an die Fakultät der Arizona State wechselte. Es funktioniert, indem eine lange DNA-Doppelhelix zu konzentrischen Ringen gewickelt wird, die aufeinander gestapelt sind, um die Konturen des Objekts zu bilden, als würde man Tonknäuel verwenden, um einen Topf herzustellen. Um die Strukturen stärker zu machen, ermöglichte das Team auch, sie mit zusätzlichen Schichten für mehr Stabilität zu verstärken.
Fu zeigt die Vielfalt der Formen, die sie herstellen können: Zapfen, Kürbisse, Kleeblattformen. DNAxiS ist das erste Softwaretool, mit dem Benutzer solche Formen automatisch entwerfen können, indem Algorithmen verwendet werden, um zu bestimmen, wo die kurzen DNA-„Klammern“ platziert werden müssen, um die längeren DNA-Ringe zusammenzufügen und die Form an Ort und Stelle zu halten.
„Wenn es zu wenige sind oder wenn sie an der falschen Position sind, wird sich die Struktur nicht richtig bilden“, sagte Fu. „Vor unserer Software machte die Krümmung der Formen dies zu einem besonders schwierigen Problem.“
Bei einem Modell einer Pilzform spuckt der Computer zum Beispiel eine Liste von DNA-Strängen aus, die sich selbst in der richtigen Konfiguration zusammensetzen würden. Sobald die Stränge synthetisiert und in einem Reagenzglas gemischt wurden, erledigt sich der Rest von selbst: Durch Erhitzen und Abkühlen der DNA-Mischung innerhalb von nur 12 Stunden „faltet sie sich auf magische Weise in die DNA-Nanostruktur“, sagte Reif.
Die praktischen Anwendungen ihrer DNA-Design-Software im Labor oder in der Klinik könnten noch Jahre entfernt sein, sagten die Forscher. Aber „es ist ein großer Schritt nach vorne in Bezug auf das automatisierte Design neuartiger dreidimensionaler Strukturen“, sagte Reif.
Mehr Informationen:
Daniel Fu et al, Automatisiertes Design von 3D-DNA-Origami mit nicht gerasterter 2D-Krümmung, Wissenschaftliche Fortschritte (2022). DOI: 10.1126/sciadv.ade4455. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade4455