Модели и изображения с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) различных трехмерных многогранников, которые были построены путем соединения самосвязанной треугольной М-ДНК и прямоугольной М-ДНК. Слева направо: тетраэдр, треугольная бипирамида, октаэдр, пятиугольная бипирамида, треугольная призма, прямоугольная призма, пятиугольная и шестиугольная призмы. Предоставлено: Хао Янь.
Команда * ученых из ASU и Шанхайского университета Jiao Tong (SJTU) во главе с Хао Яном, профессором Милтона Глика из ASU в Школе молекулярных наук и директором Центра молекулярного дизайна и биомиметики Института биодизайна ASU, только что объявила о создании нового типа мета-ДНК структуры, которые откроют области оптоэлектроники (включая хранение и шифрование информации), а также синтетической биологии.
Это исследование было опубликовано 7 сентября 2020 г. в Химия природы – действительно, концепция самосборки мета-ДНК может полностью преобразовать микроскопический мир структурных нанотехнологий ДНК.
Общеизвестно, что предсказуемая природа пар оснований Уотсона-Крика и структурные особенности ДНК позволили использовать ДНК в качестве универсального строительного блока для создания сложных наноразмерных структур и устройств.
«Вехой в технологии ДНК, безусловно, стало изобретение ДНК-оригами, где длинная одноцепочечная ДНК (оцДНК) складывается в определенные формы с помощью сотен коротких основных цепей ДНК», – пояснил Ян. «Однако было сложно собрать архитектуру ДНК большего размера (от микрона до миллиметра), что до недавнего времени ограничивало использование ДНК-оригами». Новые структуры микронного размера имеют ширину порядка человеческого волоса, что в 1000 раз больше, чем исходные наноструктуры ДНК.
Предоставлено: Хао Янь.
С тех пор, как украсил обложку Наука В журнале 2011 года с их элегантными наноструктурами ДНК-оригами, Ян и соавторы неустанно работали, черпая вдохновение из природы, стремясь решить сложные человеческие проблемы.
«В этом текущем исследовании мы разработали универсальную стратегию« мета-ДНК »(М-ДНК), которая позволила различным структурам ДНК размером от микрометра до микрометра самособираться аналогично тому, как простые короткие нити ДНК самоорганизуются в наноразмерный уровень », – сказал Ян.
Группа продемонстрировала, что наноструктура оригами ДНК из 6 спиралей в субмикрометровом масштабе (мета-ДНК) может быть использована в качестве увеличенного аналога одноцепочечной ДНК (оцДНК), и что две мета-ДНК, содержащие комплементарные «мета-ДНК». пары оснований »могли образовывать двойные спирали с запрограммированной направленностью и шагом спирали.
Используя строительные блоки мета-ДНК, они построили серию архитектур ДНК от субмикронного до микрометрового масштаба, включая мета-многорукавные соединения, трехмерные многогранники и различные двухмерные / трехмерные решетки. Они также продемонстрировали иерархическую реакцию смещения цепи на мета-ДНК для передачи динамических свойств ДНК мета-ДНК.
С помощью доцента Петра Сульца (SMS) они использовали крупнозернистую вычислительную модель ДНК для моделирования двухцепочечной структуры М-ДНК и понимания различных выходов левовращающих и правосторонних структур, которые были получены. .
Кроме того, просто изменив локальную гибкость отдельной М-ДНК и их взаимодействия, они смогли построить серию субмикронных или микронных структур ДНК от 1D до 3D с широким разнообразием геометрических форм, включая мета-формы. стыки, мета-двойные кроссоверные плитки (M-DX), тетраэдры, октаэдры, призмы и шесть типов плотно упакованных решеток.
В будущем более сложные схемы, молекулярные двигатели и наноустройства могут быть рационально спроектированы с использованием M-ДНК и использоваться в приложениях, связанных с биочувствительностью и молекулярными вычислениями. Это исследование сделает создание динамических структур ДНК микронного размера, которые можно реконфигурировать при стимуляции, значительно более осуществимым.
Авторы ожидают, что внедрение этой стратегии M-ДНК превратит нанотехнологию ДНК из нанометров в микроскопические масштабы. Это создаст ряд сложных статических и динамических структур в субмикронном и микронном масштабе, что позволит использовать множество новых приложений.
Например, эти структуры можно использовать в качестве каркаса для формирования сложных функциональных компонентов, которые больше и сложнее, чем считалось возможным ранее. Это открытие может также привести к более изощренному и сложному поведению, которое имитирует клетки или клеточные компоненты с комбинацией различных реакций иерархического смещения цепи, основанных на М-ДНК.
Ссылка: «Структуры мета-ДНК» Гуанбао Яо, Фей Чжана, Фей Ванга, Тяньхуан Пэн, Хао Лю, Эрика Поплтона, Петра Шульца, Шуосин Цзян, Лань Лю, Чен Гун, Синьсинь Цзин, Сяогуо Лю, Лихуа Ван, Ян Лю. , Чунхай Фань и Хао Ян, 7 сентября 2020 г., Химия природы.
DOI: 10.1038 / s41557-020-0539-8
* Члены команды ASU: Гуанбао Яо (соавтор, Фэй Чжан (в настоящее время доцент Университета Рутгерса и соавтор), Хао Лю, Эрик Поплтон, Петр Шульц, Шуосин Цзян, Лан Лю, Чен Гун, Ян Лю, Хао Ян (Соавтор-корреспондент)
Члены команды из SJTU: Фэй Ван (соавтор), Тяньхуань Пэн, Синьсинь Цзин, Сяого Лю, Лихуа Ван, Чунхай Фань (соавтор-корреспондент)
