3D-‘utskrifter’ på nanonivå med hjälp av självbyggande DNA-strukturer
Ett nytt och enklare sätt att göra nanostrukturer av DNA beskrivs av forskare vid Karolinska Institutet i en studie som nu publiceras i ansedda tidskriften Nature. Den nya tekniken gör det möjligt att göra mer avancerade DNA-origamistrukturer som också tål de låga saltkoncentrationer som finns i kroppen, vilket öppnar upp för helt nya biologiska tillämpningar av DNA-nanoteknologi.
Forskarna bakom den aktuella studien liknar det nya tillvägagångssättet med en 3D-skrivarteknik för strukturer i nanoskala. Användaren ritar i ett 3D-program, som vanligtvis används för design eller animation, upp den önskade strukturen i form av ett polygonobjekt. Sedan används algoritmer och grafteori, som forskarna har utvecklat delvis i samarbete med datavetare på Aalto universitet i Helsingfors, för automatiska beräkningar av hur DNA-sekvensen ska se ut för att få fram den önskade strukturen.
När de tillverkade DNA-sekvenserna blandas med varandra i en saltlösning bygger de ihop sig själva till rätt struktur. En av de största fördelarna med att bygga nanostrukturer av DNA är nämligen att baserna genom basparning binder till varandra på ett förutbestämt sätt.
Lätt att designa
– Med den här nya metoden blir det väldigt lätt att designa DNA-nanostrukturer och det är friare hur man kan designa. Vi kan nu göra strukturer som varit omöjliga att designa tidigare och det fungerar i princip på samma sätt som när man ritar upp en struktur i 3D för att skriva ut i makroskopisk storlek, men i stället för att få ut det i plast får man ut det i DNA i nanoskala, säger Björn Högberg vid institutionen för medicinsk biokemi och biofysik, som varit ansvarig för studien.
Med hjälp av tekniken har forskarna byggt bland annat en boll, en spiralform, en stav, en flaskform och en DNA-utskriven version av den så kallade Stanford Bunny, som är en ofta använd testmodell för 3D-modellering. Förutom att metoden är enklare jämfört med tidigare sätt att göra DNA-origami, är en viktig skillnad att den nya metoden inte kräver höga koncentrationer av magnesiumsalt.
– För biologiska tillämpningar är den viktigaste skillnaden att vi nu får strukturer som både går att vika i, och är hållbara i, fysiologiska saltkoncentrationer som går bättre att kombinera med biologiska tillämpningar för DNA-nanostrukturer, säger Björn Högberg.
Minska mängden läkemedel
De möjliga tillämpningarna är många. Forskargruppen har tidigare gjort ett nanoskjutmått av DNA som använts för att studera cellsignalering. Den nya tekniken gör det möjligt att utföra liknande biologiska experiment på ett sätt som ännu bättre efterliknar de riktiga förhållandena i cellerna. DNA-nanostrukturer har även använts för att göra målsökande kapslar som levererar cancerläkemedel till tumörceller, vilket kan minska mängden läkemedel som behövs för att uppnå effekt.
Forskningen har finansierats med anslag från bland annat Vetenskapsrådet, Stiftelsen för strategisk forskning och Knut och Alice Wallenbergs stiftelse.
Publikation
DNA rendering of polyhedral meshes at the nanoscale
Erik Benson, Abdulmelik Mohammed, Johan Gardell, Sergej Masich, Eugen Czeizler, Pekka Orponen & Björn Högberg
Nature, online 23 juli 2015, doi: 10.1038/nature14586