3D för nanoformat med DNA som byggnadsställning

Tidskriften Nature publicerade nyligen en studie som beskriver ett nytt och enklare sätt att bygga 3D-nanostrukturer där DNA axlar rollen som byggnadsställning.  Bakom studien står Björn Högberg, som är en av SSF:s Framtidens forskningsledare, och hans  forskargrupp vid Karolinska Institutet.

Den nya tekniken gör det möjligt att skapa mer avancerade DNA-strukturer, vilket öppnar upp för helt nya biologiska tillämpningar av DNA-nanoteknologi och ökad förståelse för hur cellerna fungerar.

–          Vi använder DNA som byggmaterial, det genetiska innehållet är inte intressant här. Det är nämligen så att om man blandar två DNA-molekyler så är det förutsägbart hur de kommer sätta ihop sig, eftersom C alltid parar ihop sig med G och A alltid med T. Basparningen är väldigt exakt. Det gör att man kan designa DNA-kedjor i datorn, berättar Björn Högberg. 

Origamiteknik

Björn Högbergs metod bygger på den så kallade origamitekniken vilken utvecklades vid Caltech-universitet i USA för snart tio år sedan. I korthet innebär det att man låter en lång enkelsträngad DNA-kedja bli stomme eller byggnadsställning, och sedan tillför man korta DNA-strängar. Dessa kommer att fästa på givna ställen på DNA-kedjan som då tvinnas. Ett av problemen med metoden har varit att man själv fått manuellt designa strukturer och ett annat problem har varit att det har varit svårt att göra polygonstrukturer.  

. Nu har Högbergs forskargrupp tillsammans med datavetare vid Aalto universitetet i Helsingfors utvecklat algoritmer för att modellera DNA-strukturerna så att arbetet går enklare.

–          Du ritar precis som i ett vanligt 3DCAD-program. Du laddar upp en polygon och får en DNA-design tillbaka, berättar Björn Högberg.

För att testa tekniken har forskarna byggt bland annat en boll, en spiralform, en stav, en flaskform och en DNA-utskriven version av den så kallade Stanford Bunny, som är en ofta använd testmodell för 3D-modellering. De här modellerna har skrivits ut i större format och i plast, men de men de visar konceptet för hur metoden fungerar på nanometernivå.

Knepiga proteiner

Att kontrollera materia på molekylnivå är annars ett av de stora problemen för nanoteknik i biologiska samanhang. Proteiner är till exempel svåra att kontrollera och därmed svåra att bygga med, men Björn Högberg kan vara en lösning på spåren.

–          Vi kan använda DNA som en sorts byggnadsställning för att bygga mönster på proteinnivå och det i sin tur kan användas för att studera cellsignalering. Vi vet att celler har någon form av informationsutbyte med sin omgivning, men inte hur det går till. En hypotes är att en cell känner av receptorer hos sina grannceller, som den läser av som en sorts blindskrift. Det är dock svårt att replikera i labbmiljö. När vi nu kan bygga artificiella mönster i datorn och bygga olika mönster för att se hur cellerna reagerar är det ett framsteg.  I våra labbförsök har vi till exempel kunnat skönja vissa mönster för bröstcancerceller och ana hur metastaser induceras. I förlängningen väntar till exempel målsökande läkemedel, där DNA-nanostrukturen används som en målsökande kapsel. Det kan minska mängden läkemedel.