• Thursday July 18,2019

DNA-Skulptur und Origami - ein Treffen von Kunst und Nanotechnologie

Anonim

DNA ist als Speicher für genetische Informationen am berühmtesten, aber Shawn Douglas von Dana-Farber Cancer hat einen Weg gefunden, dieses überaus wichtige Molekül in das Äquivalent des Bildhauers zu verwandeln. Aus einem Satz von speziell konstruierten DNA-Strängen hat sein Team eine Reihe winziger Skulpturen entworfen, die jeweils nur 20 bis 40 Nanometer groß sind. Er hat sogar Werke geschaffen, die aus kleineren Teilen zusammengesetzt sind, darunter ein atemberaubender Ikosaeder - ein 20-seitiger dreidimensionaler Käfig, der aus drei zusammengefügten Teilen besteht.

Douglas 'Methode hat mehr mit der Block-Bildhauerei zu tun als eine bloße Metapher. Bildhauer beginnen oft mit einem einzigen kristallinen Block, den sie abhacken, um die Form einer darunter liegenden Figur zu enthüllen. Douglas tut das zumindest auf einem Computer. Sein Startblock ist eine Reihe paralleler Röhren, von denen jede eine einzelne DNA-Helix darstellt, die in einem Wabengitter angeordnet ist. Durch die Verwendung eines Programms zum Entfernen von Abschnitten des Blocks gelangt er zu seinem gewünschten Entwurf.

Mit der Festlegung der Grundstruktur beginnt Douglas, seinen molekularen Ton zu formen. Er baut ein Gerüst aus einem einzigen langen DNA-Strang auf. Aus historischen Gründen verwendet er das Genom des M13-Virus. Dieser Gerüststrang wird durch alle Rohre in der Konstruktion "gefädelt", wobei Überkreuzungen an bestimmten Punkten der Struktur etwas Festigkeit verleihen. Die Drehungen und Drehungen des Gerüsts werden dann durch Hunderte von kürzeren "Klammer" -Litzen fixiert, die die Struktur an Ort und Stelle halten und das Entfalten des Gerüsts verhindern.

Die Sequenzen der Gerüst- und Stapelstränge sind so abgestimmt, dass die Ansammlung von DNA-Molekülen genau in der richtigen Weise haften bleibt. Wenn alle Stränge erstellt sind, werden sie in einem Hotpot zusammengebacken und über eine Woche langsam abgekühlt. Während dieser Zeit haften die Heftklammern an vorbestimmten Teilen des Gerüsts und falten es in die richtige Form. Durch den langsamen Abkühlvorgang können sie dies auf die richtige Weise tun. schnellere Temperaturabfälle erzeugen mehr unförmige Formen.

Das Ergebnis: Eine Reihe von sechs Strukturen, die Douglas unter einem Elektronenmikroskop betrachtete: ein Monolith, eine Vierkantmutter, eine Geländerbrücke, ein geschlitztes Kreuz, ein gestapeltes Kreuz und eine Geistflasche. Diese Grundformen veranschaulichen die Vielseitigkeit des Nano-Origami-Ansatzes und können auch zu größeren Strukturen verbunden werden. Mit Heftklammern, die separate Gerüste überbrücken, hat Douglas eine lange Kette der gestapelten Kreuzeinheiten erstellt. Am eindrucksvollsten machte er aus einem Ikosaeder drei verschiedene Untereinheiten.

Douglas sagt: "[Zunächst] war dieser Prozess selbst für ausgebildete DNA-Nanotechnologen sehr zeitaufwändig und fehleranfällig." Sein Team hat seitdem die Dinge vereinfacht, indem er ein Open-Source-Programm namens caDNAno aufbaute, das das Planen und Entwerfen vereinfacht ihre Skulpturen. "Mit caDNAno kann eine Person ohne Programmierkenntnisse oder DNA-Struktur ein kurzes Tutorial absolvieren und dann innerhalb eines Tages Sequenzen erzeugen, um eine neue Form zu erstellen, deren Komplexität mit den hier gezeigten Beispielen vergleichbar ist."

Das erste DNA-Origami wurde im Jahr 2006 von Paul Rothemund gefaltet, der eine ähnliche Strategie eines einzelnen Gerüstmoleküls verwendete, das von mehreren kleineren Klammern zusammengeklappt wird. Rothemund nutzte die Methode, um eine wunderbare Reihe von Objekten zu erstellen - Smiley-Gesichter, Weltkarten und mehr. Bei allen diesen Kreationen handelte es sich im Wesentlichen um zweidimensionale Blätter, die aus einer einzigen Schicht DNA-Helices bestanden.

Erst in diesem Monat hat Ebbe Andersen das Gebiet des DNA-Origamis in drei Dimensionen gegliedert, indem er aus sechs Feldern eine Box baute, die alle mit dem gleichen Gerüststrang aufgebaut waren. Die Box hatte sogar einen Deckel, der mit DNA-Schlüsseln geöffnet oder geschlossen werden konnte. Aber selbst diese Box hat trotz aller Innovationen nur die dritte Dimension durchbrochen, indem sie ebene Flächen geschickt gegeneinander faltet. Im Gegensatz dazu sind Douglas 'Nano-Skulpturen von Anfang an wirklich dreidimensional.

Das Nano-Origami könnte als Kunst für sich betrachtet werden, aber Douglas hat größere Pläne - er hofft, dass die Technik den Nanotechnologen dabei helfen wird, Arbeitsgeräte herzustellen. Dazu müssen bestimmte Herausforderungen wie die einwöchigen Bauzeiten und die niedrigen Erträge von 7-44% gemeistert werden. Die Technik könnte zwar theoretisch verwendet werden, um eine beliebige Form zu erzeugen, solange sie aus einem einzelnen Gitterblock geschnitzt werden kann, es ist jedoch unklar, ob die Technik für komplexere oder größere Formen geeignet ist. Trotzdem ist es ein vielversprechender Start und ein sehr ansehnlicher.

Referenz: Douglas, S. Dietz, H., Liedl, T., Högberg, B., Graf, F. & Shih, W. (2009). Selbstorganisation von DNA in nanoskalige dreidimensionale Formen Nature, 459 (7245), 414-418 DOI: 10.1038 / nature08016

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