Programvare med åpen kildekode lar forskere lage avrundede objekter i nanoskala av DNA

Programvare med åpen kildekode lar forskere lage avrundede objekter i nanoskala av DNA

Tidsstempel: 23. desember 2022 5:37
Kilde node: 1788886
24. des 2022 (Nanowerk Nyheter) Beundre de små nanoskalastrukturene som dukker opp fra forskningslaboratoriene ved Duke University og Arizona State University, og det er lett å forestille seg at du blar gjennom en katalog over verdens minste keramikk. Et nytt papir avslører noen av lagenes kreasjoner: småbitte vaser, boller og hule kuler, den ene gjemt i den andre, som husholdningsartikler til en russisk hekkende dukke. Men i stedet for å lage dem av tre eller leire, designet forskerne disse gjenstandene av trådlignende DNA-molekyler, bøyd og foldet til komplekse tredimensjonale gjenstander med nanometerpresisjon. nanostrukturer laget av konsentriske ringer av DNA Hver av disse nanostrukturene er ikke større enn et virus, og ble bygget ved hjelp av programvare som lar forskere designe objekter ut av konsentriske ringer av DNA. Modeller (øverst) og elektronmikroskopbilder av de faktiske objektene (nederst). (Bilde: Arizona State University) Disse kreasjonene demonstrerer mulighetene til et nytt åpen kildekodeprogram utviklet av Duke Ph.D. student Dan Fu med sin rådgiver John Reif. Beskrevet i journalen Vitenskap Fremskritt ("Automatisk design av 3D DNA-origami med ikke-rasterisert 2D-kurvatur"), lar programvaren brukere ta tegninger eller digitale modeller av avrundede former og gjøre dem om til 3D-strukturer laget av DNA. DNA-nanostrukturene ble satt sammen og avbildet av medforfatterne Raghu Pradeep Narayanan og Abhay Prasad i professor Hao Yans laboratorium i Arizona State. Hver liten hul gjenstand er ikke mer enn to milliondeler av en tomme på tvers. Mer enn 50,000 1980 av dem kunne passe på hodet til en nål. Men forskerne sier at dette er mer enn bare nanoskulpturer. Programvaren kan tillate forskere å lage små beholdere for å levere medisiner, eller former for støping av metallnanopartikler med spesifikke former for solceller, medisinsk bildebehandling og andre applikasjoner. For de fleste er DNA livets blåkopi; de genetiske instruksjonene for alt levende, fra pingviner til poppeltrær. Men for lag som Reifs og Yan's er DNA mer enn en bærer av genetisk informasjon - det er kildekode og byggemateriale. Det er fire "bokstaver", eller baser, i den genetiske koden til DNA, som pares på en forutsigbar måte i cellene våre for å danne trinnene på DNA-stigen. Det er disse strenge baseparingsegenskapene til DNA - A med T og C med G - som forskerne har valgt. Ved å designe DNA-tråder med spesifikke sekvenser, kan de "programmere" trådene til å sette seg sammen til forskjellige former. Metoden går ut på å brette ett eller noen få lange stykker enkeltstrenget DNA, tusenvis av baser lange, med hjelp fra noen hundre korte DNA-tråder som binder seg til komplementære sekvenser på de lange trådene og «stifter» dem på plass. Forskere har eksperimentert med DNA som byggemateriale siden 3-tallet. De første XNUMXD-formene var enkle terninger, pyramider, fotballer - geometriske former med grove og blokkerte overflater. Men det har vært vanskelig å designe strukturer med buede overflater som ligner de som finnes i naturen. Teamets mål er å utvide utvalget av former som er mulig med denne metoden. For å gjøre det utviklet Fu programvare kalt DNAxiS. Programvaren er avhengig av en måte å bygge med DNA beskrevet i 2011 av Yan (Vitenskap, "DNA-origami med komplekse krumninger i tredimensjonalt rom"), som var postdoktor hos Reif ved Duke for 20 år siden før han begynte på fakultetet ved Arizona State. Det fungerer ved å kveile en lang DNA-dobbelspiral til konsentriske ringer som stables på hverandre for å danne konturene til objektet, som å bruke leirespiraler til å lage en gryte. For å gjøre strukturene sterkere, gjorde teamet det også mulig å forsterke dem med flere lag for økt stabilitet. Fu viser frem mangfoldet av former de kan lage: kjegler, kalebasser, kløverbladformer. DNAxiS er det første programvareverktøyet som lar brukere designe slike former automatisk, ved å bruke algoritmer for å bestemme hvor de korte DNA-“stiftene” skal plasseres for å slå sammen de lengre DNA-ringene og holde formen på plass. "Hvis det er for få, eller hvis de er i feil posisjon, vil strukturen ikke dannes riktig," sa Fu. "Før programvaren vår gjorde krumningen til formene dette til et spesielt vanskelig problem." Gitt en modell av en soppform, for eksempel, spytter datamaskinen ut en liste over DNA-tråder som kan settes sammen til riktig konfigurasjon. Når trådene er syntetisert og blandet i et reagensrør, tar resten seg av seg selv: Ved å varme opp og avkjøle DNA-blandingen, innen så lite som 12 timer, "folder den seg på en magisk måte opp i DNA-nanostrukturen," sa Reif. Praktiske anvendelser av deres DNA-designprogramvare i laboratoriet eller klinikken kan fortsatt være år unna, sa forskerne. Men "det er et stort skritt fremover når det gjelder automatisert design av nye tredimensjonale strukturer," sa Reif.

Tidstempel:

Mer fra Nanowerk