Nano-kasse lavet af DNA med åbne og lukkemekanisme

Den berømte DNA nano-kasse har fået sig en lillebror. Den endnu mindre nano-kasse har fået helt styr på sit låg: den kan nemlig både åbnes og lukkes i respons til et bestemt signal.

DNA kasse fylder syv gange mindre end sin forgænger.

For tre år siden overraskede forskerne fra iNANO den videnskabelig verden ved at lave en kasse af DNA med et låg som kunne åbnes i respons til et bestemt signal. Og selvom DNA kassen var meget lille (Andersen, Dong et al. 2009), har iNANO folket designet en, der er endnu mindre end den første (Zadegan, Jepsen et al. 2012). Den nye kasses volumen er kun en 1/7 del af den originale og har nogle bestemte karakterestikker som gør den til en interessant konstruktion (Figur 1).

Den nye kasse er designet efter de samme principper, som dens store bror og udnytter den samme selvsamlingsmetode: DNA-origami metoden (Rothemund 2006). Dog bruger man i den originale origami metoden hele M13 virus genomet som er 7249 basepar lang, mens den lille kasse bruger et mindre plasmid, som kun er 1983 bp lang. Det mindre plasmid selvsamles til den designede form, som består af 59 korte oligoer.

Da DNA i sig selv er en ret fleksibel polymer, gør den mindre størrelse konstruktionen mere rigid. Og det var også tanken bagved det nye design. (Man kan læse mere om strukturel DNA nanoteknologimetoder her: http://inano.au.dk/da/outreach/nanovidensbank/nanomedicine/dna-er-nanoteknologiens-nye-byggemateriale/).

Figur 1. A. Transmission elektron mikroskop billede af kassen. B. 3D model med teoretiske mål.

Den nye kasse har reversibelt låg

Den nye DNA-kasses største fordel er at den er mindre, samt at den har mere rigide sider. Ud over det er der implementeret en mekanisme, som tillader det åbne låg at blive lukket igen (Figur 2). Den nye model har to sæt af nøgle strenge: det første sæt åbner kassen, mens det andet får låget til at lukke igen.

Selve låsen på kassen består af to dna strenge, som kan binde til sig selv og danne en ”hairpin” struktur (Box 1, nedenfor). Første sæt af nøglestrengene kan binde til både loopet og en del af helixen i hairpin-strukturen – det fører til dannelsen af længere helixer, som er mere favorabelt end hairpin-strulturen selv. Det får kassen til at åbne.

Første sæt af nøglestrengene har også en kort sekvens, som ikke kan binde til hairpin strukturen. Det udnytter det andet sæt af strengene. De binder nemlig til hele sekvensen fra første sæt og på den måde kan man fjerne første nøglesæt fra kassen. Det fører til gendannelse af hairpin-strukturen og kassen lukkes (Figur 2).

Figur 2. Åbne og lukke mekanismen. Rød og violet hairpin holder kassen lukket. Når det første sæt af nøglestrengene bliver tilsat binder de til loopet og helixen på hver af de to hairpin-strukture, som får kassen til at åbne sig. Tilføjelse af ”lukkestrenge”, som er fuldstændig komplementære til ”åbnestrengene” fjerner disse fra strukturen, hairpin gendannes og låget lukkes igen.

Den næste udfordring er at laste kassen med medicin og levere det til celler som har brug for lige præcis den medicin. Det kontrollerbare låg skal sørge for at medicinen kun bliver frigivet til de tilstræbte celler.

Andersen, E. S., M. Dong, et al. (2009). "Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid." Nature459(7243): 73-76.

Rothemund, P. W. (2006). "Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns." Nature440(7082): 297-302.

Zadegan, R. M., M. D. Jepsen, et al. (2012). "Construction of a 4 Zeptoliters Switchable 3D DNA Box Origami." ACS Nano.

Box 1. DNA ”hairpin” struktur. I den almindelige DNA helix binder to komplementære DNA strenge sammen og danner en lineær struktur. En streng kan også lave en lineær struktur når del af den sekvens er komplementær med en anden del. Det vil føre til at strengen bøjer sammen og danner den såkaldte ”hairpin” – på den måde reducerer den sin energi ved at gemme de vandafvisende baser ind i helix strukturen. Strukturen ligner en hårnål, hvorfra navnet også kommer. Strukturen består af baseparret helix region og uparret enkelt strenget loop.