Mona Lisa DNA-st

DNA Origami loob 3D objekte ja kunstiteoseid nanoformaadis

See Mona Lisa on valmistatud DNA-st ja see loodi iseorganiseerumisega, kasutades DNA origami. Paremal "Nano Lisa" 3D-struktuuri kujutised ja kukekujundus aatomjõumikroskoobi abil. © Lulu Qian jt.
ettelugemist

Nano maalid, mängukarud ja abstraktsed kujundid: teadlased on kasutanud DNA võimet ise kokku panna täiesti uute nanokonstruktsioonide jaoks. Alustades vaid väikesest komplektist erinevaid DNA ahelaid, ühendavad pärilikud molekulid loomulikult üha suuremaid plaate või kaste. Lõpptulemuseks on kuni 10 000 ehitusplokki, mis koosnevad 3D-kujunditest ja nanoteostest nagu miniatuurne Mona Lisa.

Geneetilise molekuli DNA on looduse geniaalne konstruktsioon läbi selle nelja "elukirja" - DNA alused. Kuna kokku sobivad ainult kaks alust, on võimalik koodi kopeerida ja edastada see ka tütarrakkudele. Komplementaarsete DNA-aluste sidumine võimaldab aga ka DNA-st täiesti uute vormide ja komponentide konstrueerimist. DNA origamis kasutavad teadlased seda iseseisev kalduvust, ühendades DNA ahelad võrgustatud kudedesse, kolmemõõtmelistesse kastidesse ja isegi nanorobotitesse.

DNA karu ja Nano Lisa

Nüüd on kaks uurimisrühma astunud DNA origami sammu edasi, arendades meetodeid, mis koondavad DNA automaatselt keerukateks kolmemõõtmelisteks kujunditeks või piltideks. Harvardi ülikool Luvena Ong ja tema meeskond valmistasid kuni 10 000 individuaalset DNA-kasti, et organiseerida end suuremateks ehitusplokkideks, seejärel kolmemõõtmeliseks karutegelaseks.

Grigory Tikhomirov ja tema meeskond California tehnoloogiainstituudist valmistasid algselt lamedad DNA plaadid, mis seejärel, juhindudes nende spetsiifilisest struktuurist, suuremateks ühikuteks ja lõpuks miniatuurseks maaliks. Selle tehnika abil lõid nad Leonardo da Vinci kuulsa Mona Lisa nanversiooni - väikseim Mona Lisa maailmas.

Põhimõte: DNA spetsiaalsed ahelad ühendatakse plaatideks, mis seejärel moodustavad soovitud struktuuri nagu mõistatus. © Demin Liu

Tarkvara täpsustab plokid ja nende järjestuse

Selle aluspõhimõte on see, et mõlemad uurimisrühmad on välja töötanud spetsiaalse tarkvara, mis määrab lõpliku vormi põhjal kindlaks, millised konkreetsed järjestused peavad DNA ehitusplokkidel olema ja kui palju erinevaid sorte on vaja. Järgmises etapis näitab programm, millises järjekorras ja kombinatsioonis järjest suuremad komponendid reaktsioonianumates ühendatakse. kuva

Sellel ehitusjuhendil põhinevad teadlased peavad seejärel ainult sünteesima vastavad DNA ahelad ja segama neid määratletud järjestuses. "See hierarhiline lähenemisviis võimaldab meil genereerida spetsiaalsete järjestustega DNA ahelaid - kasvava suurusega struktuure ja põhimõtteliselt piiramatut arvu kujusid - vaid väikesest ainulaadsete komponentide komplektist." ütleb Tikhomirov.

Alates plaatidest ja kastidest kuni kohandatud vormini

Teadlased nimetavad seda ehitamispõhimõtet fraktaalse tootmisena, sest kujunduspõhimõtteid korratakse erinevas suurusjärgus. Konkreetsemalt öeldes ühendavad DNA ahelatest loodud plaadid või kastid üha suuremad, ise sarnased plaadid või kastid.

Alles selle samm-sammulise protsessi lõpus viivad erinevused nende struktuuris soovitud, erinevate vormide avaldumiseni. Nagu teadlased selgitavad, sarnaneb see kujunduspõhimõte meie keha omaga. Sest isegi meie rakkudel on kõigil sama genoom ja samad põhielemendid, kuid nad kasutavad seda erineval viisil ja suudavad üles ehitada erinevaid kudesid, näiteks närve, lihaseid ja luid.

Nii töötab DNA origami "Nano Lisa" Grigori Tikhomirovi tootmiseks

Konstruktsioonid sama suured kui bakter

Mõlemal uurimisrühmal õnnestus kasutada oma meetodeid, et viia DNA palju suuremate ja keerukamate struktuuride enesekorraldusse kui seni võimalik. Ong ja tema meeskond genereerisid umbes 10 000 DNA karbist kirju, mängukarusid ja heeliksi kuju ning Tikhomirovi ja Nano maalid ulatusid kuni 0, 5 ruut mikronini ja ligi 9000 "pikslit".

"Seda tootmismeetodit on lihtne rakendada ja see hõlbustab kõrgtehnoloogiliste materjalide ja nanomajade ehitamist, " ütlevad Tikhomirov ja tema kolleegid. "Need DNA nanostruktuurid võivad ulatuda isegi bakteri suuruseni." (Nature, 2017; doi: 10.1038 / nature24655, doi: 10.1038 / nature24648)

(MITi California Tehnoloogiainstituut, 08.12.2017 - MTÜ)