Open source-software lader forskere skabe afrundede objekter i nanoskala ud af DNA

24. december 2022 (Nanowerk nyheder) Beundre de små nanoskalastrukturer, der dukker op fra forskningslaboratorier ved Duke University og Arizona State University, og det er nemt at forestille sig, at du gennemser et katalog over verdens mindste keramik. Et nyt papir afslører nogle af holdenes kreationer: småbitte vaser, skåle og hule kugler, den ene skjult inde i den anden, som husholdningsartikler til en russisk rededukke. Men i stedet for at lave dem af træ eller ler, designede forskerne disse objekter af trådlignende DNA-molekyler, bøjet og foldet til komplekse tredimensionelle objekter med nanometerpræcision. Hver af disse nanostrukturer er ikke større end en virus og blev bygget ved hjælp af software, der lader forskere designe objekter ud af koncentriske ringe af DNA. Modeller (øverst) og elektronmikroskopbilleder af de faktiske objekter (nederst). (Billede: Arizona State University) Disse kreationer demonstrerer mulighederne for et nyt open source softwareprogram udviklet af Duke Ph.D. studerende Dan Fu med sin rådgiver John Reif. Beskrevet i journalen Science Forskud ("Automatiseret design af 3D DNA Origami med ikke-rasteriseret 2D krumning"), giver softwaren brugerne mulighed for at tage tegninger eller digitale modeller af afrundede former og omdanne dem til 3D-strukturer lavet af DNA. DNA-nanostrukturerne blev samlet og afbildet af medforfatterne Raghu Pradeep Narayanan og Abhay Prasad i professor Hao Yans laboratorium i Arizona State. Hver lille hul genstand er ikke mere end to milliontedele af en tomme på tværs. Mere end 50,000 af dem kunne passe på hovedet af en nål. Men forskerne siger, at disse er mere end blot nano-skulpturer. Softwaren kunne give forskere mulighed for at skabe små beholdere til at levere lægemidler eller forme til støbning af metal nanopartikler med specifikke former til solceller, medicinsk billeddannelse og andre applikationer. For de fleste mennesker er DNA livets plan; de genetiske instruktioner for alt levende, fra pingviner til poppeltræer. Men for hold som Reifs og Yans er DNA mere end en bærer af genetisk information - det er kildekode og byggemateriale. Der er fire "bogstaver" eller baser i den genetiske kode af DNA, som parrer sig på en forudsigelig måde i vores celler for at danne trinene på DNA-stigen. Det er disse strenge baseparringsegenskaber af DNA - A med T og C med G - som forskerne har valgt. Ved at designe DNA-strenge med specifikke sekvenser kan de "programmere" strengene til at stykke sig selv sammen i forskellige former. Metoden går ud på at folde et eller få lange stykker enkeltstrenget DNA, tusindvis af baser lange, med hjælp fra et par hundrede korte DNA-strenge, der binder til komplementære sekvenser på de lange strenge og "hæfter" dem på plads. Forskere har eksperimenteret med DNA som byggemateriale siden 1980'erne. De første 3D-former var simple terninger, pyramider, fodbolde - geometriske former med grove og blokerede overflader. Men det har været vanskeligt at designe strukturer med buede overflader, der ligner dem, der findes i naturen. Teamets mål er at udvide rækken af ​​former, der er mulige med denne metode. For at gøre det udviklede Fu software kaldet DNAxiS. Softwaren er afhængig af en måde at bygge med DNA beskrevet i 2011 af Yan (Videnskab, "DNA Origami med komplekse krumninger i tredimensionelt rum"), som var postdoc hos Reif hos Duke for 20 år siden, før han kom til fakultetet i Arizona State. Det virker ved at vikle en lang DNA-dobbelthelix ind i koncentriske ringe, der stables på hinanden for at danne objektets konturer, som at bruge lerspoler til at lave en gryde. For at gøre strukturerne stærkere, gjorde teamet det også muligt at forstærke dem med yderligere lag for øget stabilitet. Fu viser de mange forskellige former, de kan lave: kogler, græskar, kløverbladsformer. DNAxiS er det første softwareværktøj, der lader brugere designe sådanne former automatisk ved hjælp af algoritmer til at bestemme, hvor de korte DNA-hæfteklammer skal placeres for at forbinde de længere DNA-ringe sammen og holde formen på plads. "Hvis der er for få, eller hvis de er i den forkerte position, vil strukturen ikke dannes korrekt," sagde Fu. "Før vores software gjorde formernes krumning dette til et særligt vanskeligt problem." Givet en model af en svampeform, for eksempel, spytter computeren en liste over DNA-strenge ud, som selv kan samles i den rigtige konfiguration. Når først strengene er syntetiseret og blandet i et reagensglas, tager resten sig af sig selv: Ved at opvarme og afkøle DNA-blandingen, inden for så lidt som 12 timer "folder den sig på en magisk måde op i DNA-nanostrukturen," sagde Reif. Praktiske anvendelser af deres DNA-designsoftware i laboratoriet eller klinikken kan stadig være år væk, sagde forskerne. Men "det er et stort skridt fremad med hensyn til automatiseret design af nye tredimensionelle strukturer," sagde Reif.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62079.php