可编程胶制成的DNA指导小凝胶自组装的砖块

一组研究人员在哈佛大学生物工程研究所已经发现了一种自组装复杂结构的砖块小于一粒盐。自组装的方法可以帮助解决组织工程的主要挑战之一:人体组织再生的注入微小组件然后自组装成更大的身体,复杂的结构,可以使支架的生物相容性在受伤的网站。

自组装的关键是发展中世界上第一个可编程的胶水。胶是由DNA,指导具体的水凝胶贴砖只有彼此,科学家们的报告在9月9日在线出版的《自然通讯。

“通过使用DNA胶指导自组装凝胶砖,我们创建复杂的可编程架构,”彭殷说,博士,Wyss研究所核心教员和高级研究的合著者,同时也是哈佛医学院系统生物学助理教授。这部小说自组装方法在凝胶砖块一样小斑点的淤泥(30微米直径),像一粒沙子(1毫米直径),强调方法的通用性。

可编程DNA胶水也可以使用其他材料,创造出各种各样的小,自组装设备,包括眼镜、可重构,微芯片和手术粘合剂只能编织在一起所需的组织,阿里Khademhosseini说,博士,助理教员Wyss研究所的其他高级研究的合著者。

“可能为任何工作,你会想要一个可编程的胶引入高阶结构的组装,最后以极大的控制体系结构,这是非常令人兴奋,”Khademhosseini说,世卫组织也在此健康科学部门的副教授和技术(HST),布莱根妇女医院和哈佛医学院。

制造设备或零部件,制造商经常开始一段材料,然后修改它,直到它所需的属性。在其他情况下,他们使用相同的策略作为汽车制造商,使组件所需的属性,然后组装生成最终的设备。生物制造他们的组织使用一个类似的策略,在不同类型的细胞组装成功能性构件生成适当的组织功能。例如,在肝脏功能构建块小组织单位被称为小叶。在肌肉组织,功能构建块肌肉纤维。

科学家们试图模仿这种制造策略,发展自组装系统制造设备。例如,去年阴和他的研究小组在《科学》杂志上报道说,他们已经开发了微乎其微的“DNA砖”小于最小的病毒自组装成复杂的纳米尺度的三维结构。

现在,他和Khademhosseini试图创建一个类似的可编程,自我组装的中尺度系统组件——那些边缘宽度从30微米到1000微米(1毫米)。他们首先关注创建一个系统砖的生物相容性、生物可降解凝胶被称为水凝胶的自组装成复杂的结构。为未来的应用,小型水凝胶砖包含人类细胞可能注入身体。砖块会组装,那么细胞就编织在一起,形成水凝胶分解功能组织。

在之前尝试自组装水凝胶砖成复杂的结构,科学家们面临一个挑战:砖经常的话,另一个而不是组装成所需的架构。阴和Khademhosseini只需要一种方法来帮助每个组件粘到特定合作伙伴,而不是其他组件。换句话说,他们需要可编程的胶水。

DNA是适合这个任务。它将遗传信息存储为一系列四个化学“字母”,或核苷酸,绑定在一个特定的方式互补的核苷酸(T、G和C),一条DNA链奉行严格第二个链,但前提是第二个链互补的核苷酸序列。甚至一件短的DNA可以有大量的可能的序列,使胶水可编程。

研究人员利用酶将一个片段的DNA为长期的DNA片段,称为“巨大的DNA”包含多个副本的片段。与巨大的DNA时涂水凝胶立方体,立方体只坚持合作立方体涂有匹配的巨大的DNA。因为科学家可以与他们想要的任何序列合成的DNA片段,这意味着巨大的DNA是可编程DNA胶水。

将水凝胶块组装成更大的结构,采用较小的水凝胶立方体作为连接器。他们用DNA胶水涂布连接器多维数据集,然后将它连接到一个更大的立方体的六个面。一个大立方体装备这种方式坚持只有其他大型数据集的连接器匹配的DNA胶水。

通过将连接器立方体在各种面临更大的数据集,他们编程更大的数据集自组装成特定的形状,包括一对匹配的立方体,一个线性链,一个正方形,和t型结构。

方法非常具体,当研究人员放置25双匹配数据集在一个锅中,所有的方块位于和坚持他们的伴侣。这种能力组装多个组件同时被称为multiplexity,和新系统的最高程度的multiplexity所有现有中尺度自组装系统。

”设计策略,利用自组装的力量由生命系统用于直接组织建设小部件用于组织工程的代表了一种全新的方法,“不因格贝尔说,医学博士博士,Wyss协会的创始董事。“彭和阿里已经创建了一个优雅的和简单的方法,可以允许重建组织在一个简单的注射后,而不需要大手术。”