自主合成DNA链增长

合成生物学家和nanobiologists用途DNA的遗传物质存在于几乎所有人体细胞,作为一个聪明的和稳定的自组装材料构建纳米工厂,药物传输纳米结构和分子的设备可以以不同的方式感知环境和响应,例如,检测体内炎症或环境中的毒素。这些纳米级的应用程序通常涉及大型序列组成的合成成千上万的DNA是由的构建块,称为一个,T, C和G核苷酸碱基,这可以进一步折叠和结构化由于特定的碱基配对能力之间和Ts,分别和Cs和Gs。

然而,到目前为止,研究人员手头没有工具,允许更大的单链序列自主成长,然后加入对方的端到端分子设计方案后,能力生成与不同的功能结构和设备。

今天发表在自然化学,研究彭殷在哈佛大学生物工程研究所提供了一个广泛适用的解决这个问题。阴和他的研究小组已经开发出一种方法,允许预先设计的DNA序列自主成长,沿着特定的装配连接路线,因此提供的新一代可编程分子的基础设备。把新概念的所谓“引物交换反应”(每)级联到测试,他们成功地策划了第一套设备多样化的功能,如自身建设DNA折纸和DNA纳米结构这个意义上,放大、记录或逻辑评估环境信号。

过去的方法产生一个固定的小序列的相同副本,但他们无法添加不同的合成序列模式来定义彼此没有user-mediated干预自动生成更大的组件。“自治和每级联提供可能产生一个完全可编程的特性,新一代的可编程的分子设计设备和应用程序并关闭差距的努力,许多运动部件的存在,”彭Wyss说核心教员阴,博士,主持这项研究的系统生物学教授,也是哈佛医学院(HMS)。“我们提供概念验证数据的每一个各种各样的先进的合成生物学应用程序明显突出技术的广泛的潜力。”

Wyss研究所的研究小组利用新概念设计等一系列的/ DNA转录非常多样的应用程序,包括大型的自动合成DNA纳米结构被称为DNA-origamis,和合成生物学方法,合成的DNA转录取决于触发,比如癌症相关的小微RNA。他们每方法甚至可以生成DNA转录的逻辑评估组合所产生的不同的触发器,类似于RNA Ribocomputing设备阴今年早些时候发表的的团队。

有趣的是,每个DNA转录本可以成为催化,能够减少任意目标RNA,成为荧光标记探针,放大特定分子的存在刺激,或“分子记录器”,忠实地显示特定的分子信号的顺序出现在他们的环境。

每级联开始,需要两个基本组件。一个被称为“催化DNA发夹中介”,这是一个单链DNA分子部分与自己配对形成发夹结构短悬臂单链。这种过剩是为了捕捉每级联的第二个组件,“入门”,它包含一个区域互补的过剩。通过一系列的伸长和位移反应,提供的底漆与序列扩展催化发夹中介然后驱逐出境。这释放了催化发夹中介过程的级联下一轮,通过捕获新底漆或已经开始拉长底漆,等等。

这些复杂的合成过程自动进行的,与分子机器人执行一个给定的任务,和在一个温度,使这项技术非常健壮。“的方法给了我们巨大的创作自由:我们不仅可以合成一次又一次的相同的DNA片段作为新增加的序列,但我们还可以具有不同的类型附加简单的DNA序列改变催化发夹DNA的构成和引物混合而组装正在进行。这让我们有合成分支到不同方向和复杂模式的构成最终的DNA记录,”这项研究的第一作者乔斯林岸本说,他作为国家科学基金会(NSF)研究生研究员HMS阴Wyss研究所工作团队。“我们现在努力实现每级联对于各种各样的应用程序,包括分子录音机,复杂的诊断,以及组织成像。我们也希望有一天这些系统可用于活细胞的装置,可以记录事件或re-program细胞行为在特定的方面,“贵志说。

“这新进展,显示了如何编程DNA分子自组装成3 d结构和具体执行预定义的功能和任务代表一个分子领域的机器人向前迈进的重要一步,并提供了一窥未来医疗和非医疗设备的应用程序,“Wyss说,唐纳德·因格贝尔创始董事医学博士博士,他也是Judah Folkman HMS血管生物学教授和血管生物学程序在波士顿儿童医院,以及哈佛大学的生物工程教授约翰·a·保尔森工程和应用科学学院(海洋)。