Νέα μέθοδος κατασκευάζει και αναμορφώνει αντικείμενα μέσω του DNA

Οι ερευνητές στο μέλλον ελπίζουν να χρησιμοποιήσουν αυτήν την τεχνολογία για την κατασκευή μικροσκοπικών μηχανών DNA για μια ευρεία ποικιλία βιοϊατρικών εφαρμογών.

Συνδυάζοντας δύο σχετικά πρόσφατες τεχνολογίες, μια ομάδα που χρηματοδοτήθηκε από την NIH, με επικεφαλής τον Lulu Qian του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας, Πασαντένα, CA, δημιούργησε ένα “μηχανισμό ανταλλαγής” που προγραμματίζει δυναμικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ σύνθετων νανοδομών DNA. Η προσέγγιση εκμεταλλεύεται την αρθρωτή δομή του DNA, μαζί με την τάση του να αυτο-συναρμολογείται, με βάση την ικανότητα των τεσσάρων γραμμάτων του χημικού αλφαβήτου του DNA να ζευγαρώσουν κατά τρόπο ομαλό, μεταξύ Α και Τ και G με C.

Οι ερευνητές ξεκίνησαν με ένα μόνο, μακρύ σκέλος DNA και πολλά πιο σύντομα σκέλη, που ονομάζονται staples. Όταν η ακολουθία των γραμμάτων DNA σε κάθε ένα από αυτά τα στοιχεία είναι τοποθετημένη ακριβώς δεξιά, ο μεγαλύτερος κλώνος θα αναδιπλωθεί στο επιθυμητό σχήμα 2D ή 3D. Αυτή η τεχνική ονομάζεται DNA origami λόγω της ομοιότητας της με την αρχαία ιαπωνική τέχνη αναδίπλωσης χαρτιού.

Στα αρχικά στάδια του DNA origami, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η τεχνική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή μικρογραφικών 2D εικόνων, όπως ένα χαμογελαστό πρόσωπο. Πέρυσι, ο όμιλος Caltech εξέλιξε την τεχνική – χρησιμοποιώντας DNA origami για να παραγάγει τη μικρότερη έκδοση της Mona Lisa στον κόσμο .

Η τελευταία εργασία δημοσιεύθηκε στο Nature Communications, από τους Qian, Philip Petersen και Grigory Tikhomirov . Σημαντική παρατήρηση για τις μελλοντικές εφαρμογές στον τομέα της βιοϊατρικής, είναι ότι το αρχικό κενό πλέγμα είχε πλήρως αναδιαμορφωθεί σε μια νέα δομή, κατασκευασμένη από ολοκαίνουργια κατασκευαστικά στοιχεία DNA. Αυτό το επίτευγμα δείχνει ότι όχι μόνο οι ερευνητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν το DNA για να κατασκευάσουν μικροσκοπικά αντικείμενα, αλλά μπορούν επίσης να χρησιμοποιήσουν το DNA για την επιδιόρθωση ή την αναμόρφωση αυτών των αντικειμένων.

Φυσικά, ο απώτερος στόχος αυτής της έρευνας δεν είναι να χτίσει παιχνίδια ή να αναπαράγει διάσημα έργα τέχνης. Ο Qian θέλει να δει τις τεχνικές του DNA που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή μικροσκοπικών αυτοματοποιημένων μηχανών, ικανών να εκτελούν βασικές εργασίες σε μοριακό επίπεδο. Στην πραγματικότητα, η ομάδα της έχει ήδη χρησιμοποιήσει μια παρόμοια προσέγγιση για να κατασκευάσει ρομπότ DNA νανο-μεγέθους, προγραμματισμένο να ταξινομεί τα μόρια με τον ίδιο τρόπο που ένα άτομο μπορεί να ταξινομεί τα ρούχα. Τέτοια ρομπότ μπορεί να αποδειχθούν χρήσιμα σε μικροσκοπικές προσεγγίσεις για την ανακάλυψη, ανάπτυξη, παρασκευή και / ή χορήγηση φαρμάκων.

Ένας άλλος στόχος της ομάδας Caltech είναι να αποδείξει στην επιστημονική κοινότητα τι είναι δυνατόν να πραγματοποιηθεί με αυτή την τεχνολογία αιχμής, ελπίζοντας ότι άλλοι ερευνητές θα πάρουν τα καινοτόμα εργαλεία τους για τις δικές τους εφαρμογές. Αυτό θα ήταν κερδοφόρο για όλους.

Πηγή:

directorsblog.nih.gov

Βιβλιογραφία:

[1] Information-based autonomous reconfiguration in systems of DNA nanostructures. Petersen P, Tikhomirov G, Qian L. Nat Commun. 2018 Dec 18;9(1):5362
[2] Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Rothemund PW. Nature. 2006 Mar 16;440(7082):297-302.
[3] Fractal assembly of micrometre-scale DNA origami arrays with arbitrary patterns. Tikhomirov G, Petersen P, Qian L. Nature. 2017 Dec 6;552(7683):67-71.
[4] A cargo-sorting DNA robot. Thubagere AJ, Li W, Johnson RF, Chen Z, Doroudi S, Lee YL, Izatt G, Wittman S, Srinivas N, Woods D, Winfree E, Qian L. Science. 2017 Sep 15;357(6356).

Links:

• Paul Rothemund—DNA Origami: Folded DNA as a Building Material for Molecular Devices (Cal Tech, Pasadena)
• The World’s Smallest Mona Lisa (Caltech)
• Qian Lab (Caltech, Pasadena, CA)