DNA er nanoteknologiens nye byggemateriale
DNA er et fantastisk byggemateriale, som ud fra enkle principper kan samle sig selv til umådeligt komplicerede strukturer. Forskerne udnytter nu disse egenskaber til at lave deres egne, hjemmedesignede DNA-strukturer, som kan tænkes anvendt i mange forskellige sammenhænge.
Nanoteknologerne har i lang tid kigget misundeligt på selvsamlingen af de biologiske molekyler, for her findes et væld af eksempler på funktionelt nanomaskineri, der er forudsætningen for basale livsprocesser hos levende organismer. Hidtil har nanoteknologien gjort det muligt at bygge f.eks. mikrochip på nanoskala, baseret på “top-down”-procedurer, hvor man kan ætse strukturer i nanostørrelse på silicium skiver.
Takket være landvindinger på selvsamlingsområdet er vi i øjeblikket vidne til en revolutionerende udvikling inden for “bottom-up”-procedurer, der udnytter mindre byggestens evne til at samle sig til større nano-skala strukturer. Hemmeligheden bag denne udvikling har netop været at bruge naturens egne molekyler som det selvsamlende byggemateriale. Her har DNA vist sig at være det bedste byggemateriale at starte med. Det skyldes dels DNA’s relativt simple struktur, og dels at det kan fremstilles billigt.
- Figur 1. Med ”top-down”-proceduren bruger man apparater og materialer til at fabrikere nanostrukturer. I ”bottom-up”-proceduren bruger man designede molekylers evner til at samle sig i veldefinerede former.
DNA som byggemateriale
Ideen til at bruge DNA som byggemateriale opstod tilbage i 80’erne, da krystallografen Ned Seeman gik og bandede over, at han ikke kunne gro krystaller af proteiner og DNA. I et øjebliks inspiration kom han i tanke om et billede af et 3D gitter af flyvende fisk af kunstneren M.C. Escher. Han tænkte, at DNA måtte kunne “programmeres” til at danne lignende 3D-gitre, hvori proteiner kunne arrangeres og danne en kunstig krystal – og dermed løse krystallografernes problem en gang for alle.
- Figur 2. DNA som byggeklods. (A) Atomar model af dobbelt-spiral af to DNA-strenge med hver 23 baser, hvor 19 baser er involveret i basepar mens de sidste 4 baser på hver streng er frie, og derfor udgør en “klister-ende” som har potentiale til at binde sig til en anden streng med den rette sekvens. (B) En simpel repræsentation af DNA-helixen. (C) Ned Seemans oprindelige byggeklods var lavet ved en overkrydsning mellem fire DNA-strenge. Hver arm har en klister-ende, som en anden DNA-arm med en komplementær klister-ende kan binde sig til. På figuren markerer 1 og 2 sådanne klister-ender og 1’ og 2’ markere klister-ender med komplementær sekvens. (D) En stor mængde af sådanne DNA-byggeklodser vil samle sig selv i et DNA-gitter.
Den mest simple struktur, der kunne illustrere Ned Seemans eftertragtede DNA-gitter, var en kube, og han gik sammen med en student i gang med at lave en model af forhåndenværende materialer i laboratoriet: plastikslanger, ståltråd og tape. Derefter blev sekvenserne designet med et hjemmeskrevet computerprogram, hvorefter de blev lavet på en syntese-maskine med håndsving. Der blev lavet 10 sekvenser, som det lykkedes dem at sætte sammen til den første menneskeskabte DNA-kube.
Med DNA-kuben var det første vigtige skridt taget, men det viste sig desværre vanskeligt at lave større DNA-gitre med Seemans metode, hvilket højst sandsynligt skyldes byggestenenes fleksibilitet. Et vigtigt videre skridt var derfor at designe mere stabile og veldefinerede DNA-byggeklodser, hvilket blev gjort ved at hæfte DNA-dobbeltspiraler sammen med overkrydsninger i geometrisk favorable afstande. Disse veldefinerede DNA-byggeklodser er blevet kendt som ’DNA-tegl’ (på engelsk DNA tiles) og er blevet brugt til at konstruere to- og tre-dimensionelle gitre. Efter 30 års arbejde er det i 2009 lykkedes Ned Seeman at opnå de eftertragtede DNA krystaller. Ved at bruge et stabilt DNA-motiv er de første rationelt designede DNA-krystaller nu en realitet.
- Figur 3. Opbygning med DNA-tegl. DNA-tegl er stabile, veldefinerede DNA-byggeklodser, der kan bruges til at lave større strukturer i både 2D og 3D. De laves ved at hæfte DNA-dobbeltspiraler sammen. (A) Et simpelt DNA-tegl der danner 2D plader er observeret med atomar kraft-mikroskop (AFM). (B) Et kryds-formet tegl med fire arme, der kan samles i 2D-gitre, som det ses i et AFM-billede. (C) Et DNA-tegl med fem arme kan samles til en icosaheder-struktur og 3D strukturen kan analyseres med elektronmikroskopi. (D) DNA-krystaller opbygget af den såkaldte tensegrity trekant observeret i lysmikroskop.
DNA-origami
I 2006 skete der en revolution inden for DNA-nanoteknologien, da Caltech-forskeren Paul Rothemund demonstrede en ny effektiv metode til at designe og fremstille DNA-strukturer. Metoden blev døbt DNA-origami efter den japanske papirfoldekunst, da man folder en lang DNA-streng i en given form vha. mange små DNA-strenge. Paul Rothemund viste, at man med metoden kan designe vilkårlige former, og at man på ca. 200 unikke positioner på overfladen af DNA-strukturerne kan placere elementer som en slags digitale pixels. Denne egenskab er siden blevet brugt i flere undersøgelser til at placere guld-nanopartikler, proteiner og RNA-sekvenser på veldefinerede positioner.
Selve foldningsprocessen er uhyre enkel at udføre i praksis: man blander komponenterne sammen, varmer op til kogepunktet og nedkøler prøven til stuetemperatur i løbet af en time og – voila; ca. 100 milliarder velformede DNA-strukturer er dannet i dit reagensglas. Selvsamlingen af DNA-origamier er meget kompleks, da ca. 250 forskellige komponenter skal finde sammen på en helt præcis måde for at danne den forudbestemte struktur.
- Figur 4. Sådan laver man DNA-origami. DNA-origami er en selvsamlimgs-proces, hvor man bruger flere mindre DNA-strenge til at hjælpe en større DNA-streng med at folde en forudbestemt struktur. (A) En lang DNA-streng og en masse korte DNA-strenge blandes sammen og varmes op. (B) Under nedkølingen vil de små DNA-strenge i første omgang hæfte sig til den lange streng i et jævnt mønster. (C) Ved yderligere nedkøling vil hjælpe-strengenes korte regioner hæfte sig til andre steder på den lange streng som derved foldes. (D) Dette tvinger DNA-strengen ind i sin endelige struktur.
Det største arbejde i DNA-origami ligger i forarbejdet med at designe DNA-strengene korrekt, så den ønskede struktur bliver indkodet i sekvensen af DNA-baser. Foldningen af den lange streng og designet af de mere end 200 små DNA-strenge er et besværligt og tidskrævende arbejde. For at undgå menneskelige design-fejl er det nødvendigt at bruge computer-assisteret design (CAD). På Center for DNA-nanoteknologi (CDNA) er det første automatiske og frit tilgængelige CAD-program til DNA-origami blevet udviklet, og dets anvendelighed er blevet vist ved at konstruere en DNA-delfin fra Aarhus Universitets segl (figur 5).
Efter at have vist, at CAD-programmet kunne designe DNA-origami-delfiner, var næste skridt at lave et funktionelt 3D objekt, og her faldt valget på en DNA-kasse, som blev designet med en størrelse på 42x36x36 nanometer. Ved hjælp af en række avancerede biofysiske metoder kunne det vises, at DNA-kasserne samledes effektivt i den ønskede form. DNA-kasserne var det første eksempel på DNA-origami i 3D, og da det tilmed kunne vises at kassen kan åbnes funktionelt blev dette studie publiceret i det velansete tidsskrift Nature i maj 2009.
Efterfølgende er der i 2009 udkommet flere artikler om DNA-origami i 3D. William Shihs forskningsgruppe på Harvard beskrev i en artikel i Nature, hvordan de kan konstruere solide 3D-objekter af vilkårlig form, og i en efterfølgende artikel i Science, hvordan de kan kontrollere bøjning og vridning af DNA-objekterne. Med disse nye design-principper har de kunnet fremstille fantastiske objekter såsom en nano-bro, et tappet-kryds, spiraler og tandhjul. Med disse landvindinger er det nu tilfulde bevist at det er muligt at lave ”bottom-up” arkitektur på nano-skala.
- Figur 5. DNA-origami-strukturer. (A) Design model af DNA-origami af et ansigt. Til højre ses strukturen optaget med et AFM. (B) En firkantet DNA-origami kort med en størrelse på 70x100 nm. (C) Delfin fra Aarhus Universitets segl lavet med DNA-origami. (D) DNA-origami kasse. Til højre vises en model, der er baseret på cryo-elektronmikroskopiske billeder. (E) DNA-origami spiral og tandhjul.
Nano-kasse med lås og nøgler
Med udvikling af DNA-origami i 2D og 3D er der opnået en ny form for kontrol på nanoskala, hvormed man kan placere og arrangere nanomaterialer og biomolekyler efter ønske. En ny udfordring er at designe DNA-origamierne til at være dynamiske og funktionelle objekter, der i sig selv kan udføre specifikke opgaver.
I vores studier blev DNA-origamierne designet med dynamiske egenskaber. Første eksempel var DNA-delfinen, der blev designet med en fleksibel hale, der kunne gøres mere eller mindre fleksibel ved at ændre på designet af haleregionen. Det andet eksempel var DNA-kassen, som er lavet med et dynamisk låg, der kan åbnes på kommando.
DNA-kassen blev designet med to låse og tilhørende “nøgler” (se figur 6). Låsene består af en DNA-streng på låget og en DNA-streng på selve kassen, der ved baseparring danner en dobbeltspiral og dermed holder låget lukket. Låsene er forsynet med en af de førnævnte klister-ender, der passer til en DNA-nøgle-sekvens. Når nøglen tilsættes baseparrer den med klister-enden og fortrænger den anden streng, hvorved låget åbnes. Ved at opsætte flere låse på DNA-kassen kan man “programmere” den til kun at åbne når en speciel kombination af DNA-nøgler er tilstede.
Perspektivet i dette er, at man på denne måde kan opnå kontrol over frigivelse af indholdet i DNA-kassen. Dette kunne være en cellegift, som kan dræbe kræft celler. DNA-kassen kan programmeres til kun at åbnes, når den møder et helt specielt sæt af gen-sekvenser, der f.eks. definerer kræftceller. Når DNA-kassen åbner kan den frigøre cellegiften, som dermed bliver afleveret på helt rette sted.
- Figur 6. Dynamiske DNA-strukturer. (A) DNA-delfin med fleksibel hale. (B) DNA-kasse med dobbelt låsesystem, der åbnes specifikt ved tilsætning af to forskellige DNA-nøgler. Åbningen detekteres vha. to fluorescerende molekyler, der er placeret mellem de to låse. Når DNA-kassen er lukket, er de to farvestoffer tæt på hinanden, og der sker overførsel af energi fra det ene farvestof til det andet, hvorved der udstråles rødt lys. Når kassen åbnes kan der ikke ske overførsel mellem farvestofferne og farvestoffet, der belyses, stråler tilbage med grønt lys.
En fremtid med nano-design
At det i dag er muligt at designe og fremstille komplekse nanoobjekter vha. selvsamling er lidt af en drøm, der er blevet til virkelighed. Det er blevet muligt ved at ”låne” biologiens selvsamlende byggesten og bruge dem på nye måder. DNA har indtilvidere været den foretrukne byggesten, men forskere arbejder også på at bruge RNA og protein selvom designprincipperne er meget komplekse. Fordelen ved at udvikle ”bottom-up”-teknologi er at man så at sige lader molekylerne gøre arbejdet selv. ”Bottom-up”-fremstillingen af nano-objekter er således ikke arbejdskrævende, kræver ikke advanceret udstyr og tillader massiv masseproduktion af de designede objekter.
Men hvilke anvendelser vil fremtiden byde på for menneskeskabte bio-nano-strukturer? En mulighed er indenfor elektronik, hvor computerfirmaet IBM allerede har vist at DNA-origami-strukturer kan placeres præcist på ”top-down”-fabrikerede computer chips. I et andet studie er det vist at man kan placere to carbon-nanorør på en DNA-origami og opnå transistor-egenskaber. Disse nyudviklinger peger på at man i fremtiden kan udvikle en ny type computer med integreret biologi og at man kan bruge selvsamling til at fabrikere nano-elektroniske-komponenter.
En anden potentiel anvendelse er indenfor medicin, hvor et af hovedproblemerne er at kontrollere leveringen af store medicin-molekyler til specifikke væv. Her kan DNA-kassen, som nævnt, muligvis bruges til at pakke medicin-molekyler, som kan frigives når de rette sygdomssignaler er tilstede. Grunden til at vi er optimistiske mht. anvendelsen af DNA-kassen er at der er et utal af muligheder for at modificere den med beskyttende og funktionelle stoffer. Med designede medicin-kapsler er det håbet at kunne dirigere medicinens vej gennem blodbanen og optagelsen i de rette celler.
Sidst men ikke mindst kan den nye bio-nanoteknologi også bidrage til at give en ny bevidsthed om hvad der kan lade sig gøre på nanoskala. Således er fremstillingen af en nano-smiley og en nano-delfin eksempler på at der er plads til kreativitet på nanoskala. Som et eksempel på dette fænomen blev Paul Rothemunds DNA-nanostrukturer udstillet på Museum of Modern Art i New York - i makroskopiske repræsentationer naturligvis. Måske kan den nye menneskeskabte arkitektur og æstetik på nanoskala være med til at øge forståelsen for bio- og nanoteknologi og dens vigtige rolle i vores fremtid.
Af Morten Muhlig Nielsen og Ebbe Sloth Andersen fra CDNA. Opdateret ihht. oprindelig artikel i Aktuelt Naturvidenskab. Redigeret til nanovidensbank.dk af Esben Kjær Unmack Larsen