Je leest:

DNA origami

DNA origami

Auteur: | 24 maart 2010

Dingen maken op nanoschaal kan ook met DNA als bouwsteen. Het begon met ingewikkelde origami, werd verfijnd met DNA-nietjes en nu maakt men al doosjes, schakelaars en smiley’s op nanoschaal.

De toepassingen van nanotechnologie zijn eindeloos. Waterafstotend, beschermend, plakken, geleidend, of zelfs als medicijn container. Maar het maken van deze nanodeeltjes is een kunst op zich. Gebruik je koolstof buisjes? Die structuurtjes tot de juiste lengte laten groeien is nog niet zo makkelijk. Er daarna mee bouwen is nog moeilijker dan een scheepje bouwen in een fles.

Eiwitten dan maar, net zoals je lichaam dat doet? Daar hebben cellen een recept voor nodig van DNA. Het kan wel, maar liefst alleen voor dingen die bijna identiek zijn aan de natuur zoals doosjes die op virussen lijken. Maar eiwitten zijn nogal temperatuurgevoelig en kunnen niet tegen vacuum, wat je bijvoorbeeld nodig hebt voor goede computerchips. En met organische moleculen wordt de boel altijd een beetje rond. Voor een vierkant doosje of de stroomdraadjes in een nano-chip heeft de wetenschap iets slims bedacht: bouwen met DNA.

DNA kan namelijk wel tegen een stootje. Er zijn weinig moleculen in de natuur die zo lang en stabiel zijn. Daarnaast kun je DNA ‘vertellen’ hoe het zichzelf opbouwt, door de code aan te passen.

Hoe zat het ook alweer?

DNA bestaat uit een deel dat altijd hetzelfde is (de ruggengraat) en een variabel deel: de coderende basen

Wikimedia Commons

DNA wordt in de natuur niet als bouwmateriaal gebruikt. De functie van DNA is puur het opslaan en veilig bewaren van informatie. Maar daarvoor maakt het molecuul gebruik van een heel precies mechanisme. Basen – die de code van DNA vormen – staat altijd twee aan twee. Een adenosine “A” base staat altijd tegenover een thymine “T” base en een cytosine “C” altijd tegenover een guanine “G”. Tussen de juiste basen worden waterstofbruggen gevormd.

Dat betekent dat als je een kunstmatig stukje DNA maakt, je precies weet hoe het op een ander stukje zal binden: een AAGGC stukje kan alleen binden op een TTCCGT stukje.

Zodra je iets van DNA wilt maken, moet je goed oppassen dat de code precies op elkaar past. Dat is ook een voordeel, want zo weet je zeker dat AAAAT alleen op TTTTA past en niet ook op TTTTC. Ook is DNA erg flexibel. Een hoek van 90 graden kan het wel maken en scherpere hoekjes worden mogelijk als je eventjes geen dubbele helix, maar enkelstrengs DNA gebruikt. Door van die twee eigenschappen gebruik te maken, kun je DNA zien als een driedimensionale puzzel.

Recept voor een DNA pincet

We beginnen simpel: een driesprong van DNA. Dan maak je een stukje DNA met de code TTTTTCCCC, een stukje met AAAACCCC en 1 stukje met GGGGGGGG. De stukjes passen zo op elkaar:

Het eerste functionele DNA-origami structuurtje.

Deze nano-pincet was ook het eerste dat de Amerikanse DNA-origami pionier Bernard Yuke met DNA bouwde. Door aan de ‘armpjes’ een magnetisch atoompje te plakken, kun je de pincet open en dichtdoen om er iets mee vast te pakken.

H. Dietz, TUM Dept. of Physics

Sindsdien proberen wetenschappers steeds ingewikkelder structuren te bouwen van DNA, kubussen, kegels, cylinders, kabels. Maar voor elke vorm moest elke keer weer een ingewikkelde puzzel worden opgelost. Langzaam aan kwamen recepten voor ‘een hoek’, ‘een onderplaat’ en nog meer losse elementen beschikbaar. Bouwen met DNA begon meer te lijken op bouwen met lego: klik de juiste stukjes op elkaar en je maakt een bouwwerkje. Toch bleken veel onderdelen elkaar makkelijk in de weg te zitten en bleef het een hele puzzel voor elke nieuwe vorm. Jammer genoeg was het ook nog eens erg moeilijk om die puzzel door de computer op te laten lossen.

Zelf assemblage

Een groot voordeel van bouwen met DNA is dat deze structuren zichzelf in elkaar zetten. Als je DNA code eenmaal goed is, hoef je alleen nog maar de juiste stukjes bij elkaar te gooien en het geheel een paar keer te verwarmen en af te laten koelen. De strengetjes DNA vinden dan vanzelf hun juiste puzzelstukje.

Toen kwam de Amerikaanse wetenschapper Paul Rothmund op het idee om het vouwen anders aan te pakken. Hij nam één lange streng DNA, liet die heen en weer lopen en niette hem aan zichzelf vast met kleinere stukjes DNA. Hier kun je zelf proberen hoe het werkt. Die manier bleek zo makkelijk dat hij er in no-time van alles mee kon maken, waaronder een smiley en een wereldkaart. En het mooiste is nog dat deze methode wel heel makkelijk door de computer te berekenen is.

Paul Rothemund

Vervolgens barstte de DNA-origami revolutie pas echt los en kwamen de eerste ideeën voor toepassingen. Bijvoorbeeld gouddraden laten ordenen door DNA om er electronica van te maken. IMB gebruikt de techniek in zijn pogingen om er zelf-assemblerende chips mee te maken. En dan hebben we nog de nano schakelaar die werd ontwikkeld op CalTech.

De Zweed Jørgen Kjems zag toekomst voor de techniek in de medische sector. DNA is namelijk een lichaamseigen stof, dus de kans dat je lijf het afstoot is nagenoeg nihil. Hij gebruikte de techniek om vierkante doosjes van enkele tientallen nanometers te maken. In het doosje kunnen medicijn-moleculen worden opgeborgen, zodat deze pas als ze op de juiste plek in het lichaam zijn vrijkomen. Antilichamen aan de buitenkant kunnen het medicijn naar de juiste celsoort brengen. Maar hoe gaat het doosje dan open? Ook daar had de Zweedse onderzoeker aan gedacht: de container kreeg zelfs een slot van DNA. Twee DNA lintjes – een aan de deksel en een aan het doosje zelf- binden elkaar en houden de doos stevig dicht. Pas als de dokter zeker weet dat het doosje op de plaats van bestemming is aangekomen, krijgt de patiënt een tweede spuitje met de DNA sleutel. Die bindt aan een van de slot-lintjes en opent zo het doosje.

Als de juiste stukjes DNA bij het doosje terecht komen, openen ze het slot en komt het medicijn vrij.

En er wordt over de hele wereld nog hard aan DNA origami gewerkt. Vorige week nog publiceerden Canadese onderzoekers Een soortgelijk principe in Nature Chemistry. Ze verpakten gouddeeltjes in een lange dunne buis van DNA origami. Net een sperzieboon waar op regelmatige afstand een bolletje inzit dat precies in de peul past. Met de juiste stukjes sleutel DNA kwamen de deeltjes weer vrij, kijk maar in dit filmpje hoe dat gaat:

Zodra de sleutel-stukjes de helft van de helixen die het bolletje vasthoudt binden, blijft er nog maar een enkelstrengs DNA-stuk over. Dat is flexibeler dan een dubbelstrengs helix, dus kan het goudbolletje ontsnappen.

Inmiddels zijn de nietjes alweer vervangen door tegels en worden er zelfs tandwieltjes gemaakt met DNA-origami. Als makkelijke, snelle en goedkope manier om nanostructuren te maken, zullen we nog veel over deze techniek horen.

Zie ook:

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/DNA/nanotechnologie/index.atom?m=en", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 24 maart 2010

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.