DNA Origami - Nu även i 3D

Vårat lab visar styrkan hos självbyggande system av DNA - publikation i Nature.

I Nature från den 21 Maj 2009 visar vi hur man kan använda DNA origami på ett nytt sätt för att tillverka komplexa strukturer av DNA i tre dimensioner. Tidigare har DNA origami, se nedan för en kort beskrivning, använts för att tillverka plana 2D strukturer av DNA som tex den berömda smiley gubben.

Om min avhandling: DNA-Mediated Self-Assembly of Nanostructures

DNA-buren självmontering av nanostrukturer - Teori och experiment

Av Björn Högberg

Handledare: Professor Håkan Olin

Låta datorer växa.

Vore det inte bra om vi kunde få datorchip att växa på träd? Istället för alla komplicerade och dyra maskiner som behövs idag för att tillverka elektronik-komponenter kunde man inte låta dem växa upp från frön istället? Detta är i praktiken vad min forskning har handlat om. Om inte att låta datorchip växa på träd så i alla fall att försöka få små strukturer, som skulle kunna användas till t.ex. kretsar, att växa i provrör.Varför vill vi bygga nanostrukturer? Jo, därför att riktigt små saker oftast är väldigt användbara. Låt oss ta datorchip som exempel. Ju mindre vi kan göra komponenterna på ett chip desto snabbare kan vi köra beräkningar på det. Framtidens datorer, kvantdatorer, kan endast byggas av extremt små komponenter, eftersom de fysikaliska effekter man vill utnyttja endast uppträder om komponenterna är tillräckligt små.

Ett annat område där småaktighet är en dygd är biotekniken. Många av de viktigaste molekylära maskinerna och byggstenarna som tillsammans utgör våra kroppar är extremt små. Att försöka manipulera dessa och utföra experiment på enstaka DNA-kedjor och proteiner med hjälp av dagens mikroteknologi skulle vara som att utföra ögonkirurgi iförd boxarhandskar. Endast genom att lära oss nya sätt att bygga små verktyg, kommer vi att kunna pilla med enstaka proteiner och DNA-strängar.

TEM(Transmissions-Elektron-Mikroskop)-
mikrografi av del av en självmonterad sfärisk nano-behållare. Behållaren är tillverkad av nanopartiklar i guld och korta DNA-molekyler.

Mellan kemi och fysik.

Problemet är att vi inte är så bra på att bygga saker som är nanometerstora, d.v.s saker vars storlek ligger någonstans mitt emellan kemins och mikroteknologins område. I alla fall inte komplicerade, nanometerstora, saker.

Vadå komplicerade?

Med komplicerade menar jag strukturer som inte är helt regelbundna och inte heller helt kaotiska eller slumpmässiga. Att tillverka helt regelbundna eller helt slumpmässiga strukturer är lätt. Det som är svårt är att tillverka något som är ganska komplext, som en maskin eller en transistor, fast i nanometer-skala.

Min avhandling har till stor del handlat om att försöka hitta metoder för att bygga nanometerstora, komplexa, strukturer. Och tekniken vi utvecklar bygger på att låta saker växa av sig själva, självmonteras. Genom att blanda smarta byggklossar med varandra under rätt förhållanden kan man få de strukturer man vill, ungefär som ett pussel som lägger sig själv när bitarna blandas.

Nanopartiklar och DNA.

Jag har undersökt, dels teoretiskt, vad som generellt krävs i form av byggstenar och annat för att bygga komplicerade nanostrukturer, dels experimentellt hur det skulle vara möjligt att bygga komplexa nanostrukturer med hjälp av DNA och nanopartiklar av guld.

Den metod som vi utvecklat för självbyggande klossar av DNA och guldpartiklar är världsunik. Metoden skulle bl.a. kunna användas för att tillverka små nano-behållare för läkemedel som töms i celler vid en given kemisk signal.

AFM(Atomic Force Microscope)-bild av själv-monterade nano-Herr Gårman. Gubbarna är gjorda av en platta av DNA-origami. På plattan har proteiner (streptavidin) fästs i Herr Gårman mönstret. 

 AFM(Atomic Force Microscope)-bild av själv-monterade nano-Herr Gårman. Gubbarna är gjorda av en platta av DNA-origami. På plattan har proteiner (streptavidin) fästs i Herr Gårman mönstret.

Jag har även tittat närmare på en metod att bygga nanostrukturer med hjälp av DNA som uppfanns av amerikanska forskare på våren 2006. Metoden kallas ”DNA-origami” och innebär kortfattat att man viker, eller häftar ihop, en lång DNA-sträng med hjälp av en stor mängd korta strängar (”häft-DNA”). Denna metod, kombinerat med nanopartiklar för elektriska signaler, skulle kunna leda till revolutionerande framsteg inom bl.a. DNA-sekvensering. Jag föreslår en ny metod för hur detta skulle kunna gå till i min avhandling (se figur nedan).

Författarens idé om hur en DNA-sekvenserare skulle kunna byggas av en platta av DNA, gulpartiklar för elektrisk mätning, och ett protein-komplex från ett virus som matar DNA-strängen under mätning förbi mätelektroderna. Våra celler innehåller liknande maskiner, se här t.ex.

Doktor i fysik med självbyggande system som huvudinriktning

Länkar:

PDF variant av denna text (färre bilder)
Hela avhandlingen (.pdf)

- För högupplösta bilder och mer info, kontakta mig

Om DNA-Origami

I Nature från den 16:e mars 2006 beskriver forskaren Paul Rothemund hur han med hjälp av ett dataprogram, några pipetter och ett antal kommersiellt tillgängliga DNA molekyler har lyckats skapa en mångfald av två-dimensionella nano-mönster. En karta över nord- och sydamerika, en smiley, en bild av en DNA-spiral med texten DNA-DNA skrivet ovanför. Alla dessa mönster är blott 100 nm stora. Detta är en riktig bedrift eftersom konventionell mikro-teknik för att skapa så små mönster kräver utrustning för hundratals miljoner kronor.

Självbyggande system.

Dagens teknik för att göra riktigt små prylar, som datorkomponenter och sensorer för kameror, bilar och forsking, bygger på något som vi kallar för uppifrån-och-ned-principer. Det vill säga, strukturerna formges av stora maskiner som projicerar ner mönstret till mikrometer- och nanometer-skala. Oftast när det gäller denna typ av teknik så gäller deviset: desto mindre desto bättre. Tyvärr är det även så att ju mindre grejer vi vill göra desto större och dyrare maskiner behöver vi. Ett renrum med en elektronstråle-litograf går lätt lös på nån miljard eller tre. Forskare världen över (läs: i USA) börjar dessutom inse att uppifrån-och-ned-tillverkning inte kan ge oss de resultat vi vill ha, oberoende av hur mycket pengar vi pumpar in. Lösningen stavas: självbyggande system. Självbyggande system (en. Self-Assembly) är inget nytt. Kemister har pysslat med detta i snart 300-år, det handlar alltså om att blanda små saker med varandra så att de sätter ihop sig till större, mer användbara saker. Utgå från molekyler och bygg dina nanostrukturer från dessa - nerifrån-och-upp.

En kopia - eller tusen miljarder kopior.

Ytterligare en sak som gör självbyggande system så attraktiva är förmågan att parallellt skapa en enorm mängd kopior av de komponenter man önskar. När man med konventionell elektornstråle-litografi ska rita en karta som är några hundra nanometer stor så behöver den stora, dyra maskinen några sekunder på sig för att rita denna. Litografi av denna typ är seriellt, varje litet streck på nanostrukturen ska ritas var för sig. Det hade tagit tusentals år för en elektronstrålelitograf att göra lika många kopior som man kan skapa i ett enda experiment med självbyggande DNA eftersom man kan man utgå från en enorm mängd molekyler som sedan tillverkar en enorm mängd strukturer. I fallet med nano-kartorna över amerika som Paul Rothemund vid Caltech har konstruerat så rör det sig om en produktion på några tusen miljarder stycken - det finns antagligen fler kartor i hans provrör än vad som samanlagt producerats hittills under mänsklighetens historia.

AFM (atomkrafts-mikroskop) bilder av smiley gubbar gjorda av DNA. Varje gubbe är ca 100nm i diameter. Foto: Paul Rothemund

Konsten att vika DNA-origami.

Att blanda små byggstenar på ett smart sätt för att få de strukturer man vill ha kallas programerbara självbyggande system (Programmable, eller Algorithmic, Self-Assembly, PSA) forskning inom detta område är relativt nytt. Man har länge kunnat bygga periodiska strukturer på nanometer nivå, t ex kristaller, det som är nytt med PSA är att man nu försöker bygga aperiodiska strukturer. När man ska försöka bygga komplicerade, icke-periodiska strukturer behövs "klister" som är väldigt specifikt, för att rätt byggsten ska fastna på rätt ställe. Sedan några år tillbaka så används DNA som klister av många forskargrupper inom detta område. DNA är ett lämpligt byggmaterial eftersom det är billigt att producera och hantera och det är väldigt specifikt. En sträng med en passande DNA-sekvens fastnar nästan alltid på rätt ställe på en annan DNA-sträng, och klistrar nästan aldrig ihop sig med en DNA-sträng som har "fel" sekvens. Detta utnyttjar vi i vår forskning på Mittuniversitetet för att försöka bygga nanostrukturer av guldpartiklar som vi fäst DNA på. Denna egenskap hos DNA har nu Dr. Paul Rothemund vid California Institute of Technology utnyttjat för att vika en lång DNA sträng. Genom att blanda den långa DNA-strängen med en mängd korta DNA-strängar som passar in på den långa på vissa bestämda ställen har han lyckats skapa fantastiska små skapelser. De korta DNA-strängarna fungerar som häftmassa som binder ihop en del av den långa strängen med en annan del av samma sträng. På detta sätt viker sig den långa strängen som man vill och man kan forma en stjärna, en smila, en karta helt av DNA.

Nya tillämpningar.

Vad ska man ha en smiley av DNA till? Ja, inte mycket. Men det viktiga med Rothemunds upptäckt är att man nu kommer att kunna skapa riktigt små saker på ett mycket enklare sätt än förut. Det kommer att öppna en hel värld av nya tillämpningar. Men för att det ska bli något användbart av det hela måste man utveckla metoder att sätta fast elektroniskt aktiva material på "byggställningen" av DNA som skapats med den nya metoden. Och det är tyvärr inte det lättaste.

Länkar:
Paul Rothemunds Hemsida (bilder m.m.)