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DNA折纸在纳米机器的新兴领域崭露头角

2019-09-19 09:30:10来源:

正如蒸汽机为工业革命奠定了基础,微晶体管引发了数字时代,由DNA制成的纳米级器件开辟了生物医学研究和材料科学的新纪元。

“ 科学 ”杂志在埃默里大学化学教授Khalid Salaita和Wallace H. Coulter生物医学工程系研究生Aaron Blanchard的“透视”文章中描述了DNA 机械装置的新兴用途。乔治亚理工学院和埃默里分校。

这篇文章预示着一个新的领域,布兰查德称之为“DNA机械技术”,以设计生成,传递和感知纳米级机械力的 DNA机器。

“很长一段时间,”萨拉塔说,“科学家一直擅长制造微型设备,比人类头发的宽度小数百倍。制造功能性纳米设备的难度比这要小几千倍。但是使用DNA作为组成部分,可以构建极其复杂的纳米器件,因为DNA部件是自组装的。“

DNA或脱氧核糖核酸作为由四种化学碱组成的代码存储和传递遗传信息:腺嘌呤(A),鸟嘌呤(G),胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。DNA碱基具有天然亲和力,彼此配对-A与T和C配对。合成的DNA链可以与来自噬菌体的天然DNA链组合。通过移动链上的字母序列,研究人员可以通过创建不同形状的方式将DNA链结合在一起。DNA链的刚度也可以很容易地调整,因此它们可以像一块干意大利面条一样保持笔直,或像弯曲的意大利面一样弯曲和卷曲。

使用DNA作为建筑材料的想法可以追溯到20世纪80年代,当时生物化学家Nadrian Seeman开创了DNA纳米技术。该领域使用链DNA来制造纳米级的功能器件。制作这些精确的三维结构的能力始于一种新奇的绰号DNA折纸,产生了诸如世界的微观地图之类的物体,以及最近有史以来最小的井字游戏。 DNA板。

对新奇物体的研究继续为DNA的机械性质提供新的见解。这些见解正在推动制造能够产生,传递和感知机械力的DNA机器的能力。

“如果你将机械设备的这三个主要组件放在一起,你就会开始获得锤子,齿轮和轮子,你可以开始制造纳米机器,”Salaita说。“DNA机械技术扩大了涉及生物医学和材料科学的研究机会。它就像发现一个新的大陆并开辟新的领域来探索。”

这种装置的潜在用途包括纳米胶囊形式的药物递送装置,当它们到达目标位置时打开,纳米计算机和纳米机器人在纳米级装配线上工作。

基因组学工业用于生物医学研究和诊断的DNA自组装的使用进一步推动了DNA机械技术的发展,使得DNA合成成本低廉且易于获得。“可能任何人都可以梦想纳米机器的设计并使其成为现实,”Salaita说。

他举了一个创造一对纳米剪刀的例子。“你知道你需要两个刚性杆,它们需要通过枢轴机构连接,”他说。“通过修补一些开源软件,您可以创建这个设计,然后进入计算机并下订单来定制合成您的设计。您将收到您的订单管。您只需将管内容放入解决方案,让你的设备自行组装,然后用显微镜观察它是否像你想象的那样工作。“

Salaita的实验室是世界上仅有的约100家在DNA机械技术领域工作的实验室之一。他和Blanchard开发了世界上最强的合成DNA电机,最近在Nano Letters上报道过。

Salaita的研究重点是绘制和测量细胞如何推拉以及更多地了解人体免疫系统中涉及的机械力。

Salaita为细胞开发了第一个DNA力量计,提供了一个分子在活细胞整个表面上应用于另一个分子的机械力的第一个详细视图。绘制这些力量可能有助于诊断和治疗与细胞力学相关的疾病。例如,癌细胞与正常细胞的运动方式不同,目前还不清楚这种差异是否是疾病的原因或影响。

2016年,Salaita使用这些DNA测力计为T细胞的机械力提供了第一个直接证据,T细胞是免疫系统的安全防护装置。他的实验室展示了T细胞如何使用一种机械“握手”或牵引来测试他们遇到的细胞是朋友还是敌人。这些机械拖船是T细胞决定是否进行免疫反应的关键。

“你的血液含有数百万种不同类型的T细胞,每种T细胞都会进化,以检测某种病原体或外来因子,”Salaita解释说。“使用这些机械拖船,T细胞不断对整个身体的细胞进行采样。它们会结合并拉动细胞表面的蛋白质,如果结合很强,那就是T细胞发现外来物质的信号。”

Salaita的实验室建立在最近发表在美国国家科学院院刊(PNAS)上的一篇论文中。埃默里化学研究生荣马领导的工作精炼了DNA力量计的灵敏度。他们不仅能够以轻微的力量检测到这些机械拖船,而且几乎是回形针重量的十亿分之一,它们还可以捕捉到眨眼间短暂拖曳的证据。

该研究为免疫系统中涉及的机械力提供了前所未有的视角。萨拉塔说:“我们发现,除了正在进化以检测某些外来物质外,T细胞还将对外国特工施加非常短暂的机械拖船。” “拖船的频率和持续时间取决于外来物质与T细胞受体的匹配程度。”

结果提供了一种工具来预测T细胞的免疫反应强度。“我们希望这种工具最终可以用于微调个体癌症患者的免疫疗法,”Salaita说。“它可能有助于设计T 细胞去追踪特定的癌细胞。”