Mona Lisa z DNA

DNA Origami vytvára 3D objekty a umelecké diela v nano formáte

Táto Mona Lisa je vyrobená z DNA a bola vytvorená samoorganizáciou pomocou DNA origami. Vpravo sú obrázky 3D štruktúry „Nano Lisa“ a kohútikový obrazec pomocou mikroskopu atómovej sily. © Lulu Qian a kol.
čítať nahlas

Nano malby, medvedíky a abstraktné tvary: Vedci využili schopnosť DNA zostaviť sa pre úplne nové nanomateriály. Vychádzajúc z malej sady rôznych prameňov DNA sa dedičné molekuly prirodzene kombinujú a vytvárajú stále väčšie dlaždice alebo škatule. Konečným výsledkom je až 10 000 stavebných blokov obsahujúcich 3D postavy a nano-umelecké diela ako miniatúrna Mona Lisa.

Genetická molekula DNA je dômyselnou konštrukciou prírody prostredníctvom jej štyroch „listov života“ - základov DNA. Pretože do seba zapadajú iba dve bázy, je možné skopírovať kód a tým ho preniesť aj do dcérskych buniek. Väzba komplementárnych báz DNA však tiež umožňuje konštrukciu úplne nových foriem a komponentov vyrobených z DNA. V DNA origami vedci používajú tento sklon k sebazostaveniu, aby spojili vlákna DNA do sieťovaných tkanív, trojrozmerných škatúľ a dokonca aj nano-robotov.

DNA Bear a Nano Lisa

Teraz dva výskumné tímy posunuli origami DNA o krok ďalej a vyvinuli metódy, ktoré automaticky zostavujú DNA do zložitých trojrozmerných tvarov alebo obrazov. Harvardská univerzita Luvena Ong a jej tím vytvorili až 10 000 individuálnych boxov na DNA, aby sa usporiadali do väčších stavebných blokov, potom do trojrozmerného charakteru medveďa.

Grigory Tikhomirov a jeho tím z kalifornského technologického inštitútu pôvodne vyrábali ploché dlaždice DNA, ktoré sa potom, podľa svojej špecifickej štruktúry, zlúčili do väčších jednotiek a nakoniec miniatúrny obraz. Touto technikou vytvorili nanoverciu slávnej Mona Lisy od Leonarda da Vinciho - najmenšiu Mona Lisu na svete.

Princíp: Špeciálne vlákna DNA sa kombinujú do dlaždíc, ktoré potom tvoria požadovanú štruktúru, ako skladačky. © Demin Liu

Softvér určuje bloky a postupnosť

Základným princípom je, že oba výskumné tímy vyvinuli špeciálny softvér, ktorý na základe konečnej formy určuje, ktoré konkrétne sekvencie, ktoré musia stavebné bloky DNA mať, a koľko rôznych odrôd je potrebných. V nasledujúcom kroku program naznačuje, v akom poradí a kombinácii sú stále väčšie zložky kombinované v reakčných nádobách. zobraziť

Na základe tejto konštrukčnej príručky musia vedci iba syntetizovať zodpovedajúce reťazce DNA a zmiešať ich v špecifikovanej sekvencii. „Tento hierarchický prístup nám umožňuje vytvárať reťazce DNA so špeciálnymi sekvenciami - štruktúrami zväčšujúcej sa veľkosti a v zásade neobmedzenej škály tvarov - z malej sady jedinečných komponentov.“ hovorí Tikhomirov.

Od obkladačiek a škatúľ po formu šitú na mieru

Vedci označujú tento konštrukčný princíp za fraktálovú výrobu, pretože princípy dizajnu sa opakujú v rôznych veľkostiach. Konkrétnejšie povedané, dlaždice alebo škatule vytvorené z prameňov DNA sa spoja a vytvárajú čoraz väčšie, podobné obklady alebo škatule.

Až na konci tohto postupu krok za krokom vedú variácie v ich štruktúre k vyjadreniu požadovaných rôznych foriem. Ako vedci vysvetľujú, tento princíp dizajnu je podobný princípu nášho tela. Pretože všetky naše bunky majú rovnaký genóm a rovnaké základné stavebné kamene, používajú ich však rôznymi spôsobmi a môžu vytvárať rôzne tkanivá, ako sú nervy, svaly a kosti.

Takto funguje origami DNA pri výrobe Grigory Tikhomirov "Nano Lisa"

Konštrukcie také veľké ako baktérie

Obidvom výskumným tímom sa podarilo využiť svoje metódy na to, aby DNA priviedla k sebeorganizácii oveľa väčších a komplexnejších štruktúr, ako to bolo predtým možné. Ong a jej tím vytvorili listy, medvedíky a špirálovitý tvar z približne 10 000 krabičiek DNA. Obrazy Tikhomirov a Nano dosahovali veľkosti až 0, 5 štvorcových mikrónov a takmer 9 000 "pixely".

„Tento výrobný postup sa ľahko implementuje a uľahčí konštrukciu pokrokových materiálov a nanomachinov, “ hovorí Tikhomirov a jeho kolegovia. „Tieto DNA nanoštruktúry by mohli dosiahnuť veľkosť baktérie.“ (Nature, 2017; doi: 10.1038 / nature24655, doi: 10.1038 / nature24648)

(Kalifornský technologický inštitút, MIT, 08.12.2017 - NPO)