3D-DNA-Nanostrukturen

Die DNA falten Die DNA-Nanotechnologie, die wie Papierfalten ist, wurde vor etwa 30 Jahren entwickelt. 2006 demonstrierte Paul Rothemund vom California Institute of Technology, dass lange DNA-Stränge in eine Vielzahl von vorgegebenen Formen gefaltet werden. Die resultierenden Nanostrukturen können als Gerüste oder als Miniaturplatinen für den präzisen Zusammenbau von Komponenten wie Kohlenstoffnanoröhren und Nanodrähten verwendet werden. und um neue Nanostrukturen herzustellen, werden neue Klammern benötigt. Darüber hinaus neigen die DNA-Strukturen dazu, sich zufällig auf einer Substratoberfläche anzuordnen, was eine nachträgliche Integration in elektronische Schaltungen erschwert. DNA-Stein Um die oben genannten Schwierigkeiten zu überwinden, haben Forscher der Harvard University in den USA eine Technik entwickelt, um hochkomplexe 3D-Nanostrukturen durch Zusammenbauen synthetischer DNA-"Steine" herzustellen. Die Steine, die wie winzige LEGO-Stücke aussehen, lassen sich in den unterschiedlichsten Formen und Konfigurationen zu aufwendig gestalteten Nanostrukturen zusammenfügen. Die Forscher stellten DNA-Steine ​​durch Selbstorganisationstechnik her, die mit langen DNA-Strängen begann, indem sie kurze, synthetische DNA-Stränge miteinander verschränkten, um größere Strukturen zu bilden, indem sie die lokalen Wechselwirkungen zwischen den Strängen geeignet steuerten. Die Technik basiert auf der DNA-Selbstorganisationsmethode unter Verwendung der vier Basenpaare in der DNA – Adenosin, Thymin, Cytosin und Guanin, die sich auf natürliche Weise auf spezifische Weise verbinden können, um eine Sammlung von 2D-Strukturen herzustellen. Technik Die Technik zur Herstellung einer 3D-Struktur beginnt mit einem kleineren DNA-Steinstrang von nur 32 Basen Länge mit vier Regionen, um an vier benachbarte DNA-Steinstränge zu binden, die um 90° verbunden und im Raum eingebaut sind, um einen DNA-Molekülwürfel zu erzeugen, der Hunderte von enthält Ziegel. Jede DNA-Struktur baut sich selbst zu einem Baustein zusammen, der mit einer individuellen Sequenz kodiert ist, die ihre endgültige Position in der Nanostruktur bestimmt. Jede Sequenz wird nur von einer komplementären Sequenz angezogen, sodass durch die Auswahl verschiedener Sequenzen bestimmte Formen erstellt werden können. Anwendungen Mit Hilfe der DNA-Brick-Technik können sehr einfach beliebig viele Strukturen aus demselben Master-Würfel hergestellt werden, indem einfach Untergruppen bestimmter DNA-Bricks ausgewählt werden. Es können viele komplexe Formen hergestellt werden, die komplizierte Hohlräume, Oberflächenmerkmale und Kanäle enthalten, die komplexer sind als jede bisher konstruierte 3D-DNA-Struktur. Es können auch Modifikationen durch Hinzufügen oder Entfernen von DNA-Steinen vorgenommen werden, ohne die Hauptstruktur zu ändern. Die Forscher behaupten, dass viele geeignete technologisch relevante Gastmoleküle in funktionelle Geräte eingebaut werden können, die als programmierbare molekulare Sonden, Instrumente für die biologische Bildgebung und Wirkstofftransportvehikel dienen und zur Herstellung komplexer anorganischer Geräte mit hohem Durchsatz für Elektronik- und Photonikanwendungen dienen könnten. Sie behaupten weiter, dass es durch die Verwendung synthetischer Polymere anstelle der natürlichen Form der DNA möglich sein könnte, funktionelle Strukturen zu schaffen, die in einer größeren Vielfalt unterschiedlicher Umgebungen stabil sind. Die Forscher sagen, dass die mit der DNA-Stein-Technik hergestellten Strukturen in einer Vielzahl von Anwendungen Verwendung finden könnten, z. Chip-Schaltkreise.DNA-Mikrochip Mikrochips werden in Computern, Mobiltelefonen und anderen elektronischen Geräten verwendet. IBM baut DNA-Mikrochips mit DNA-Nanostrukturen. Dies ist ein Versuch, biologische Moleküle zu verwenden, um die Verarbeitung in der Halbleiterindustrie zu unterstützen, da biologische Strukturen wie die DNA tatsächlich einige sehr reproduzierbare, sich wiederholende Arten von Mustern bieten. Es wird die Struktur der nächsten Generation sein, und Chiphersteller konkurrieren darum, kleinste Chips zu einem günstigeren Preis zu entwickeln. Generkennung Eine Gendetektionsplattform aus selbstorganisierten DNA-Nanostrukturen wurde unter Verwendung von 100 Billionen reaktiven und funktionellen DNA-Komponenten hergestellt. Durch Scannen von angehängten differenzierten Markierungen auf der Masse kann eine klare Ablesung der molekularen Zusammensetzung einer Lösung erhalten werden. Diese Methode ermöglicht die Strichcodierung einzelner Moleküle zur einfachen Identifizierung und Analyse.Biosensorik Untersuchungen von US-Forschern haben zu Nanostrukturen geführt, die vollständig aus Graphen und DNA bestehen. Als die Wechselwirkungen zwischen den beiden Komponenten mithilfe eines fluoreszierenden Proteins verfolgt wurden, stellte sich heraus, dass einzelsträngige DNA mit der Kohlenstoffverbindung viel stärker wechselwirkt als ihre doppelsträngigen Geschwister. Wenn komplementäre DNA zu bereits auf Graphem vorhandenen Strängen hinzugefügt wurde, begann das Markerprotein mit neuer Kraft zu leuchten, was darauf hindeutet, dass neue DNA-Moleküle gebildet wurden, als sich die ersten Stränge von ihrem Graphensubstrat trennten. Laut den Forschern könnte diese Eigenschaft den Weg für die Entwicklung neuer Klassen von Biosensoren ebnen. Graphen-DNA-Nanostrukturen werden in Krankenhäusern verwendet, um Krankheiten wie Krebs, Giftstoffe in verrottenden und veränderten Lebensmitteln zu erkennen und auch Verpackungen zu scannen, die im Verdacht stehen, biologische Waffen zu tragen auf eventuelle Spuren von Krankheitserregern. DNA-Maschinen Das Oxford Centre for Soft and Biological Matter berichtet, dass die elegante Selektivität der Watson-Crick-Basenpaarung die DNA zu einem äußerst nützlichen Werkzeug für den Bau nanoskaliger Objekte und Maschinen macht. Stabile Strukturen und mechanische Zyklen können durch sorgfältige Wahl der Basensequenzen in ein System von Einzelsträngen programmiert werden.DNA-Nanostruktur-Gerüst Forscher der Arizona State University haben verschiedene Formen und Größen von DNA-Nanostrukturen entwickelt, die Moleküle tragen können, um eine Immunantwort im Körper auszulösen. Sie haben bereits DNA-Nanostrukturen entwickelt, die als Gerüstmaterial fungieren könnten, und synthetische Impfstoffkomplexe geschaffen, die natürlichen Viren ohne die Krankheitskomponente ähneln. Synthetische Impfstoffkomplexe wurden dann an DNA-Nanostrukturen mit Pyramidenform und astartigen Strukturen angebracht. Dies birgt großes Potenzial für die Entwicklung zielgerichteter Therapeutika.DNA-Kristalle Chemiker der New York University haben dreidimensionale DNA-Strukturen geschaffen, die eine Reihe potenzieller industrieller und pharmazeutischer Anwendungen haben, wie die Herstellung nanoelektronischer Komponenten und die Organisation von Wirkstoffrezeptoren, um die Beleuchtung ihrer 3D-Strukturen zu ermöglichen Herstellung synthetischer DNA-Sequenzen, die die Fähigkeit haben, sich selbst zu einer Reihe von dreieckigen 3D-Motiven zusammenzufügen. Die Bildung der Kristalle war davon abhängig, „klebrige Enden“ – kleine zusammenhängende Sequenzen an jedem Ende des Motivs – anzubringen, die sich an andere Moleküle anheften und sie in eine festgelegte Reihenfolge und Orientierung bringen. Das Make-up dieser klebrigen Enden ermöglicht ein programmiertes Aneinanderfügen der Motive. Durch den Einsatz gentechnischer Verfahren wurden mehrere Helices durch einzelsträngige klebrige Enden miteinander verbunden. Es wurden gitterartige Strukturen gebildet, die sich in sechs verschiedene Richtungen erstrecken, wodurch ein 3D-Kristall entsteht.