Onderzoekers gebruiken microscopisch kleine DNA-strengen om hydrogelblokken samen te stellen

Onderzoekers van de Okinawa Graduate University of Science and Technology (OIST) hebben microscopisch kleine DNA-strengen gebruikt om de assemblage van met het blote oog zichtbare gelklontjes te leiden.

Wetenschappers melden vandaag dat de hydrogelblokken, die tot 2 mm lang zijn en DNA op hun oppervlak bevatten, zichzelf in ongeveer 10-15 minuten assembleren wanneer ze in een oplossing worden gemengd. Tijdschrift van de American Chemical Society.

We denken dat deze hydrogelklompjes verreweg de grootste objecten zijn die door DNA zijn geprogrammeerd om gestructureerde structuren te vormen.”

Dr. Vyankat Sontake, eerste auteur van de studie en postdoctoraal onderzoeker, OIST Unit for Nucleic Acid Chemistry and Engineering

Het proces van zelfassemblage – waarbij spontaan een georganiseerde structuur ontstaat wanneer twee of meer individuele componenten op elkaar inwerken – is zo gewoon in de natuur dat cellen en DNA zichzelf kunnen assembleren tot verbazingwekkend complexe microscopische structuren. Maar het gebruik van interacties die plaatsvinden op moleculair niveau om de assemblage van macroscopische objecten (in zekere zin zichtbaar voor het blote oog) te sturen, is een relatief nieuw onderzoeksgebied, vooral met DNA.

“We hebben voor DNA gekozen omdat het zeer programmeerbaar is, en het dankt het aan zijn opmerkelijke vermogen om sequenties te herkennen”, zegt senior auteur professor Yohei Yokobayashi, die de Nucleic Acid Chemistry and Engineering Unit leidt.

Dubbelstrengs DNA bestaat uit twee enkele DNA-strengen die om elkaar heen kronkelen om een ​​dubbele helix te vormen. De draden worden bij elkaar gehouden door de bases in elkaar te vlechten, die als een puzzel in elkaar passen (A met T en C met G). Dit specifieke vermogen tot basenparing betekent dat wetenschappers DNA-strengen kunnen ontwerpen die precies overeenkomen met andere strengen en zich aan elkaar zullen hechten.

In één experiment bevestigden onderzoekers enkelstrengs DNA-moleculen aan het oppervlak van rode en groene hydrogelblokken. De DNA-strengen op de rode blokken zijn identiek aan de DNA-strengen op de groene blokken.

Wanneer de hydrogelblokken in oplossing worden geschud, worden de overeenkomende DNA-strengen aan elkaar gekoppeld en werken ze als “lijm” die de rode en groene blokken bij elkaar houdt. Na tien minuten assembleren de gescheiden blokken zichzelf tot een eenvoudige vertakkende structuur van afwisselende kleuren.

Belangrijk is dat de DNA-strengen geen interactie hadden met de identieke DNA-strengen op de andere blokken, dus de hydrogelblokken van dezelfde kleur plakten niet aan elkaar.

De wetenschappers testten ook het vermogen van DNA om alleen specifieke sequenties te herkennen, door vier paar bijpassende strengen te ontwerpen. Ze bevestigden individuele dragers van het eerste gematchte paar aan het oppervlak van de rode hydrogelblokjes. Hetzelfde proces werd uitgevoerd voor de groene, blauwe en gele hydrogelblokjes.

Wanneer ze samen worden getrild, ondanks de aanwezigheid van veel verschillende DNA-sequenties, binden de strengen alleen aan hun overeenkomende streng, wat resulteert in eerder gemengde hydrogel-klontjes die zichzelf segregeren in clusters van dezelfde kleur.

Professor Yokobayashi zei: “Dit laat zien dat het proces van zelfassemblage heel specifiek is en gemakkelijk kan worden geprogrammeerd. Door simpelweg de DNA-sequentie te veranderen, kunnen we de blokken op verschillende manieren met elkaar laten interageren.”

Naast zelfmontage onderzochten de onderzoekers ook of ze DNA konden gebruiken om de demontage van de constructie te programmeren. Ze creëerden twee afzonderlijke identieke DNA-strengen en maakten vervolgens een derde, kortere streng die overeenkwam met een deel van de eerste. Ze bevestigden de eerste streng, en de identieke kortere streng, aan hydrogelblokjes, die zichzelf assembleren wanneer ze in oplossing worden gemengd. De langere DNA-streng die overeenkomt met de eerste streng werd vervolgens toegevoegd aan de oplossing en meer dan een uur, aangezien de langere streng de kortere streng losmaakte, waardoor de kubussen ontrafelen.

“Dit is echt opwindend omdat het betekent dat door DNA als de ‘lijm’ te gebruiken om de hydrogelblokken aan elkaar te plakken, het proces volledig omkeerbaar is,” zei Dr. Sontakke. “Hierdoor kunnen ook losse componenten worden hergebruikt.”

Hoewel de tot nu toe gevormde structuren eenvoudig zijn, hopen de onderzoekers meer complexiteit toe te voegen door het aantal verschillende kubussen dat in de structuur is opgenomen te vergroten en door zich te richten op verschillende DNA-strengen van specifieke kubieke vlakken. Ze zijn ook van plan om het volume hydrogelblokken te vergroten.

“Dit is nog steeds fundamenteel onderzoek, maar in de toekomst kunnen deze technieken worden gebruikt in weefseltechnologie en regeneratieve geneeskunde”, zegt professor Yokobayashi. “Het is misschien mogelijk om verschillende soorten cellen in hydrogelkubussen te plaatsen, die zich vervolgens kunnen assembleren tot de complexe driedimensionale structuren die nodig zijn om nieuwe weefsels en organen te laten groeien.

“Maar,” voegde hij eraan toe. “Ongeacht de mogelijke toepassingen, het is verbazingwekkend om chemie zo microscopisch te kunnen zien als de interactie van DNA-strengen met onze eigen ogen. Het is echt een leuk stukje wetenschap.”