DNA origami - DNA origami

DNA origami -objekt fra viralt DNA visualisert ved elektron tomografi . Kartet er øverst og atommodellen til DNA -farget nedenfor. (Deponert i EMDB EMD-2210 )

DNA-origami er nanoskala-folding av DNA for å lage vilkårlige to- og tredimensjonale former på nanoskalaen . Spesifisiteten til interaksjonene mellom komplementære basepar gjør DNA til et nyttig konstruksjonsmateriale, gjennom design av dets basesekvenser. DNA er et godt forstått materiale som er egnet for å lage stillaser som holder andre molekyler på plass eller for å lage strukturer helt alene.

DNA origami var omslagshistorien til Nature 16. mars 2006. Siden den gang har DNA origami kommet forbi en kunstform og har funnet en rekke applikasjoner fra legemiddelleveringssystemer til bruk som kretser i plasmoniske enheter; Imidlertid forblir de fleste kommersielle applikasjoner i en konsept- eller testfase.

Oversikt

Ideen om å bruke DNA som byggemateriale ble først introdusert på begynnelsen av 1980 -tallet av Nadrian Seeman . Den nåværende metoden for DNA -origami ble utviklet av Paul Rothemund ved California Institute of Technology . Prosessen innebærer folding av en lang enkelt tråd av viralt DNA (typisk det 7 249 bp genomiske DNA av M13 bakteriofag ) hjulpet av flere mindre "stift" -tråder. Disse kortere trådene binder lengre på forskjellige steder, noe som resulterer i dannelse av en forhåndsdefinert to- eller tredimensjonal form. Eksempler inkluderer et smilefjes og et grovt kart over Kina og Amerika, sammen med mange tredimensjonale strukturer som terninger.

For å få en ønsket form tegnes bilder med rasterfyll av et enkelt langt DNA -molekyl . Dette designet mates deretter inn i et dataprogram som beregner plasseringen av individuelle stifttråder. Hver stift bindes til en bestemt region i DNA-malen, og på grunn av Watson-Crick-baseparring er de nødvendige sekvensene for alle stiftstrengene kjente og vist. DNA blir blandet, deretter oppvarmet og avkjølt. Etter hvert som DNA avkjøles, trekker de forskjellige stiftene den lange tråden til ønsket form. Design er direkte observerbar via flere metoder, inkludert elektronmikroskopi , atomkraftmikroskopi eller fluorescensmikroskopi når DNA er koblet til fluorescerende materialer.

Nedmonterte selvmonteringsmetoder anses som lovende alternativer som tilbyr billig, parallell syntese av nanostrukturer under relativt milde forhold.

Siden opprettelsen av denne metoden, ble programvare utviklet for å hjelpe prosessen ved hjelp av CAD -programvare. Dette tillater forskere å bruke en datamaskin for å bestemme måten å lage de riktige stiftene som trengs for å danne en bestemt form. En slik programvare kalt caDNAno er en åpen kildekode -programvare for å lage slike strukturer fra DNA. Bruken av programvare har ikke bare økt enkelheten i prosessen, men har også drastisk redusert feilene ved manuelle beregninger.

applikasjoner

Mange potensielle bruksområder har blitt foreslått i litteraturen, inkludert enzymimmobilisering, medikamentleveringssystemer og nanoteknologisk selvmontering av materialer. Selv om DNA ikke er det naturlige valget for å bygge aktive strukturer for nanorobotiske applikasjoner, på grunn av mangelen på strukturell og katalytisk allsidighet, har flere artikler undersøkt muligheten for molekylære vandrere på origami og brytere for algoritmisk databehandling. De følgende avsnittene viser noen av de rapporterte søknadene som er utført i laboratorier med klinisk potensial.

Forskere ved Harvard University Wyss Institute rapporterte de selvmonterende og selvdestruktive legemiddelfartøyene som brukte DNA-origami i laboratorietestene. DNA -nanoroboten de opprettet er et åpent DNA -rør med et hengsel på den ene siden som kan lukkes lukket. Det medisinfylte DNA -røret holdes stengt av en DNA -aptamer , konfigurert til å identifisere og søke etter visse syke relaterte proteiner. Når origami -nanobotene kommer til de infiserte cellene, brytes aptamerene fra hverandre og frigjør stoffet. Den første sykdomsmodellen forskerne brukte var leukemi og lymfom .

Forskere ved National Center for Nanoscience and Technology i Beijing og Arizona State University rapporterte et DNA-origami-kjøretøy for Doxorubicin , et velkjent kreftdempende legemiddel. Legemidlet ble ikke-kovalent festet til DNA origami-nanostrukturer gjennom interkalering, og det ble oppnådd høy medisinbelastning. DNA-Doxorubicin-komplekset ble tatt opp av humane brystadenokarsinomkreftceller ( MCF-7 ) via cellulær internalisering med mye høyere effektivitet enn doxorubicin i fri form. Forbedringen av celledrepende aktivitet ble observert ikke bare i vanlige MCF-7 , enda viktigere, også i doxorubicinresistente celler. Forskerne teoretiserte at den doxorubicin-ladede DNA-origamien hemmer lysosomal forsuring, noe som resulterer i cellulær omfordeling av stoffet til aksjonssteder, og dermed øker cytotoksisiteten mot tumorcellene.

I en studie utført av en gruppe forskere fra iNANO center og CDNA Center ved Aarhus universitet , var forskere i stand til å konstruere en liten multi-switchable 3D DNA Box Origami. Den foreslåtte nanopartikkelen var preget av AFM , TEM og FRET . Den konstruerte boksen viste seg å ha en unik gjenlukkingsmekanisme, som gjorde at den gjentatte ganger kunne åpne og lukke som svar på et unikt sett med DNA- eller RNA -nøkler. Forfatterne foreslo at denne "DNA -enheten potensielt kan brukes til et bredt spekter av applikasjoner, for eksempel å kontrollere funksjonen til enkeltmolekyler, kontrollert medikamentlevering og molekylær databehandling.".

Nanoroboter laget av DNA-origami demonstrerte datakapasiteter og fullførte forhåndsprogrammerte oppgaver inne i den levende organismen ble rapportert av et team av bioingeniører ved Wyss Institute ved Harvard University og Institute of Nanotechnology and Advanced Materials ved Bar-Ilan University . Som et bevis på konseptet injiserte teamet forskjellige typer nanobotter (det krøllede DNA som omslutter molekyler med fluorescerende markører) i levende kakerlakker. Ved å spore markørene inne i kakerlakkene fant teamet nøyaktigheten ved levering av molekylene (frigjort av det ukrøllede DNA) i målcellene, interaksjonene mellom nanobotene og kontrollen tilsvarer et datasystem. Kompleksiteten til de logiske operasjonene, beslutninger og handlinger, øker med det økte antallet nanobotter. Teamet estimerte at datakraften i kakerlakken kan skaleres opp til en 8-biters datamaskin.

DNA brettes inn i en oktaeder og dekkes med et enkelt lag av fosfolipid , som etterligner konvolutten til en viruspartikkel . DNA -nanopartiklene, hver på omtrent på størrelse med en virion, kan forbli i sirkulasjon i flere timer etter injeksjon i mus. Det fremkaller også mye lavere immunrespons enn de ubelagte partiklene. Det presenterer en potensiell bruk i legemiddellevering, rapportert av forskere ved Wyss Institute ved Harvard University.

Lignende tilnærminger

Ideen om å bruke proteindesign for å oppnå de samme målene som DNA -origami har også dukket opp. Forskere ved National Institute of Chemistry i Slovenia jobber med å bruke rasjonell utforming av proteinfolding for å lage strukturer som ligner på DNA -origami. Hovedfokuset for nåværende forskning innen proteinfoldingsdesign er i stoffleveringsfeltet, ved bruk av antistoffer festet til proteiner som en måte å lage et målrettet kjøretøy.

Se også

Referanser

Videre lesning