Gennembrud for DNA som programmerbare nanosamlesæt
Det lyder som ren science fiction. Man beslutter sig for, hvilken nanostruktur, man vil bygge - for eksempel kasser med låg, der kan åbnes eller lukkes med genetiske nøgler og fungere som logiske porte i en nanochip. Så sætter man sig ved computeren, napper sig en kop kaffe og tænder for sit nye program.
Nu beskriver man sin tredimensionelle nanostruktur, og programmet beregner, hvilke DNA-sekvenser, der skal bruges for at samle den. DNA-strengene bestilles hos et kommercielt firma, som leverer varen et par dage senere.
Så går man hen i laboratoriet og smider DNA-sekvenserne ned i en opløsning, som også indeholder en lang DNA-streng fra en virus. Først opvarmes gryden og derefter lader man suppen køle langsomt af.
Miraklet er sket. DNA-strengene har samlet de attråede nanokasser helt af sig selv. Et efterfølgende tjek i laboratoriet viser, at kasserne også opfører sig som planlagt og kan åbne eller lukke låget på kommando.
»Vi kan sådan set bygge hvad som helst,« siger professor Jørgen Kjems fra Molekylærbiologisk Institut ved Aarhus Universitet.
Dén lader vi lige stå et øjeblik. For en af de største udfordringer for nanovidenskaben lige nu er at udvikle programmerbare metoder til at samle funktionelle strukturer af alle de diminutive byggeklodser, som efterhånden er udviklet; sensorer, optiske elementer, transistorer, dioder, ledninger og kontakter i nanostørrelse.
Samlesæt med fire baser
En ofte anvendt strategi i forskningen er selvorganisering, hvor nanokomponenterne samler sig selv via reaktioner mellem de forskellige byggeklodser. Indtil videre fungerer selvorganisering bedst, når det gælder om at fremstille membraner eller lagkager af molekyler på overflader, mens visionen om at få nanochips eller nanorobotter til at samle sig selv stadig er fremtidsmusik. Derfor arbejder mange forskere på internationalt plan med at bruge DNA som samlesæt.
DNA rummer et universelt alfabet - de fire baser G, C, A og T - og når to enkeltstrenge forenes i en dobbeltspiral, sker det altid ved, at G kobles sammen med C og A med T. Hver enkelt DNA-streng kan kodes individuelt, så den kobler sig til en komplementær sekvens, og man kan hæfte komponenter som proteiner, kulstofnanorør, nanopartikler og organiske molekyler på enkeltstrengene og få komponenterne placeret i de ønskede positioner i forhold til hinanden.
»Brugen af DNA som samlesæt rummer en kæmpestor fordel sammenlignet med normal selvorganisering - den er digital. Vi kan præcist programmere dannelsen af de ønskede nanostrukturer og være sikre på, at alle komponenter anbringes rigtigt«, siger Jørgen Kjems.
Han har udført arbejdet i samarbejde med blandt andre professor Kurt Vesterager Gothelf, leder af Grundforskningscenteret for DNA Nanoteknologi (CDNA) samt professor Flemming Besenbacher, leder af det interdisplinære center for nanoteknologi (iNANO) ved Aarhus Universitet.
Origami med DNA
De nye resultater bygger på den såkaldte DNA-origami-teknik, der blev opfundet på California Institute of Technology i 2006. Metoden er opkaldt efter traditionel japansk papirfolding, fordi den folder en lang enkeltstreng - som er hentet fra en virus - sammen i en ønsket form ved hjælp af flere hundrede korte DNA-strenge, som hver især er programmeret til at binde sig til specifikke steder på den lange streng.
En stor barriere for at få fuldt udbytte af metoden har indtil nu været, at rækkefølgen af de genetiske bogstaver i alle de små DNA-strenge skulle beregnes manuelt.
»Derfor har vi udviklet verdens første computerprogram, som automatiserer designproceduren, så enhver grafisk form kan omsættes pixel-for-pixel til en tilsvarende DNA-form,« siger post.doc. Ebbe Sloth Andersen.
»Programmet kan downloades frit på internettet, og det er der allerede 30-40 forskergrupper fra hele verden, som har gjort,« siger han.
Sidste år testede den danske gruppe metoden ved at designe todimensionelle nanodelfiner med vippende haler. Nu har de fremstillet tredimensionelle nanokasser, der er bygget med stive sider, der er lavet af sammenflettede DNA dobbeltspiraler, mens de bøjelige hængsler mellem siderne består af enkeltstrenget DNA.
Manipulation med nøgler
Kasserne kan manipuleres til at åbne ved hjælp af to små DNA-strenge, der fungerer som nøgler, og som låser den ønskede side af kassen op, når begge strenge er til stede i opløsningen. At det faktisk sker, kan ses i laboratoriet, fordi påhæftede fluorescerende molekyler skifter farve ved belysning, når låget åbnes. Den egenskab kan udnyttes diagnostisk, hvis kassen designes, så nøglerne til låsen for eksempel er gensekvenser fra en sygdomsfremkaldende virus.
En sådan nanokasse åbnes kun, når den pågældende virus er til stede i prøven. Nanokasserne kan måske også på længere sigt bruges til transport af lægemidler hen til de celler eller det væv i kroppen, som medicinen skal påvirke. Her arbejder det tværfaglige center på at udvikle metoder til at få beholderne ind i de ønskede celler, for eksempel kræftceller, hvor kasserne så åbnes af genetiske nøgler fra kræftgener og frigiver en cellegift i svulsterne.
En anden potentiel anvendelse er nanoelektronik og DNA-nanocomputere. Forskergruppen har allerede vist, at kasserne kan fungere som AND-gates, der åbner låget, når begge nøgler er til stede, hvilket svarer til de digitale bits 1-1. Man kan også konstruere NOT-gates, der lukkes op, når der ingen nøgler er, svarende til 0-0; og OR-gates, hvor låget åbnes, hvis bitsekvensen er 0-1, mens bunden åbnes ved 1-0.
»Når en nanokasse åbnes, kan den i princippet frigive en DNA-streng, der aktiverer en ny kasse, og på den måde kan signalet viderebringes,« siger Jørgen Kjems.
På længere sigt er målet at fremstille små nanomotorer og nanorobotter. Det kan for eksempel opnås ved at fylde kasserne med enzymer eller polymerer, som reagerer med hinanden, når de lukkes ud af nanokasserne og på den måde skaber bevægelser. Centrets resultater offentliggøres i den nyeste udgave af magasinet Nature.
»DNA-origami metoden overgår alt, hvad man tidligere har set inden for kunstig selvorganisering både i størrelse og kompleksitet. Det er en drøm, der går i opfyldelse, fordi man for første gang nogensinde får mulighed for at arrangere placeringen af mange forskellige nanobyggesten i tre dimensioner med stor præcision,« siger Kurt Vesterager Gothelf.
Fakta: Biomolekyler i nanokassen
DNA-kasserne har en størrelse på 42x36x36 kubiknanometer, hvilket svarer til, at et riskorn kan indeholde 260 billioner kasser.
Den indre volumen er cirka 39 zeptoliter, og nanokasserne kan rumme de fleste biologiske enzymer eller for eksempel en poliovirus.
Biomolekyler kan således indkapsles og kontrolleres, og det kan bane vej for teknologiske gennembrud i flere sammenhænge.
