DNA-Bausteine

Seit Jahren schlagen einige Forscher vor, dass DNA verwendet werden könnte, um komplexe selbstorganisierende Strukturen und sogar Maschinen im Nanomaßstab zu schaffen. Tatsächlich wurden bereits einfache Formen wie Würfel und einfache Geräte wie eine Pinzette aus DNA geschaffen . Skeptiker haben jedoch in Frage gestellt, ob die DNA die Stabilität besitzt, die für anspruchsvollere Geräte erforderlich ist.

Jetzt haben Forscher der Universität Oxford starre Bausteine ​​aus DNA entwickelt, die so konstruiert werden können, dass sie sich selbst zu komplexeren Strukturen zusammenfügen. Diese pyramidenförmigen Blöcke haben ihre Nützlichkeit bereits unter Beweis gestellt, indem sie erste Messungen der Kraft ermöglichten, die die DNA ohne Knicken aushalten kann, so die Forscher.

Andrew Turberfield, Physikprofessor in Oxford und an der Arbeit beteiligter Forscher, sagt, dass dies eines der ganz wenigen Beispiele für die Verwendung einer DNA-Nanostruktur ist, die es Ihnen ermöglicht, tatsächlich etwas zu tun, was Sie vorher nicht tun konnten. Das sieht nicht nur hübsch aus, sondern ist auch praktisch.



Die neuen Messungen zeigen, dass DNA ein relativ starkes Material ist, sagt Chris Dwyer, Professor für Elektro- und Computertechnik an der Duke University, der auch an der DNA-Selbstorganisation arbeitet. Dies untermauert das Argument, dass wir die DNA-Selbstorganisation für komplexere Strukturen verwenden können.

DNA ist ein attraktives Material für selbstorganisierte Geräte, da ihre Basensequenz, die im Körper als genetischer Code dient, programmiert werden kann. Durch die Optimierung dieses Codes können Forscher steuern, wie sich Stränge kombinieren, wenn sie einer Lösung hinzugefügt werden.

unsichtbares Cochlea-Implantat 2020

In der Arbeit in Oxford dienten vier DNA-Stränge als Grundlage für die Pyramiden. Jeder Strang bildet ein dreieckiges Gesicht. Die Kanten dieser Dreiecke haben offene Puzzleteilfolgen, die an eine andere Kante eines Dreiecks binden. Wenn sich diese Kanten treffen, falten sich die Dreiecke in die Form einer Pyramide. Durch einfaches Mischen der richtigen Anzahl verschiedener Stränge haben die Forscher Billionen von Pyramiden gebaut – und das in Sekundenschnelle.

Diese einfachen Strukturen können sich als Behälter als nützlich erweisen, vielleicht für die Arzneimittelabgabe im Körper. Sie sind aber auch starre Strukturen, die Ausgangspunkt für viele andere, komplexere Strukturen sein könnten. Um diese Bausteine ​​zu komplexeren Strukturen zusammenzusetzen, wandten sich die Oxford-Forscher erneut der DNA zu. Sie integrierten lose Stränge in die Strukturen mit Sequenzen, die dazu bestimmt waren, sich mit losen Strängen in benachbarten Pyramiden zu verbinden.

Bisher haben sie diese Technik nur verwendet, um Pyramidenpaare zu bilden. Aber sie sagen, es sollte möglich sein, noch viele mehr zusammenzuhaken. Durch Variation der verwendeten Sequenzen und der Platzierung in den Pyramiden, beispielsweise an den Rändern oder Spitzen, könnten sich die Pyramiden nach Angaben der Forscher selbst zu einer Vielzahl von Formen zusammensetzen. Sie hoffen, dass DNA ohne weiteres als Gerüst für die Anordnung anderer Materialien dienen kann.

Es ist eine großartige Möglichkeit, eine Architektur mit im Wesentlichen atomarer Präzision zu entwerfen, sagt Turberfield, aber um eine Art nützliches molekulares Gerät zu bauen, werden Sie mit ziemlicher Sicherheit andere Dinge, zum Beispiel molekulare elektronische Komponenten, mit Gerüsten verknüpfen wollen wie dies, um ein komplettes Gerät zu machen. Solche Komponenten könnten Nanodrähte umfassen, die zu dreidimensionalen Schaltkreisen führen könnten, vielleicht für dichte und leistungsstarke Computer. Sie könnten auch biologische Moleküle zum Erfassen oder fluoreszieren von Chemikalien für bildgebende Anwendungen enthalten.

Der größte Vorteil dieser Pyramiden könnte tatsächlich ihre anfängliche mangelnde Komplexität sein. Patrick Doyle, ein Chemieingenieur-Professor am MIT, der die Dynamik der DNA untersucht, sagt, das Design sei ziemlich elegant.

In der Vergangenheit wurden dreidimensionale DNA-Strukturen in mühsamen Schritten aufgebaut und letztendlich nur wenige Kopien hergestellt. Diese Pyramiden jedoch, die durch Erhitzen und anschließendes Abkühlen der DNA-Stränge entstehen, bauen sich in nur einem Schritt zusammen und produzieren viel höhere Ausbeuten.

Einer der Tugenden dieser Struktur ist die extreme Einfachheit und die sehr hohe Ausbeute und Synthesegeschwindigkeit, sagt Turberfield. Wenn Sie möchten, dass ein Baustein viele andere Dinge macht, möchten Sie sich nicht mit dem Bau des Bausteins abmühen – Sie möchten, dass es einfach ist. Dann können Sie mit den schwierigeren Dingen fortfahren, indem Sie sie später verlinken.

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