Über Biologie: Herstellung von Fabriken und Computern mit DNA

Als ob die Blaupause für das Leben nicht genug zu tun, setzen Nanotech-Forscher DNA in kleine mechanische Geräte und als Vorlagen für elektronische Schaltungen arbeiten.

Den letzten DNA-Konstruktionen sind mikroskopische Muster, Rädchen und molekularen Fließband. Obwohl nach wie vor überwiegend Ebene der Demonstration, DNA-Nanotechnologie ein schnell wachsendes Feld ist.

Die erste Person, DNA Potenzial über Biologie zu sehen war Naiman Seeman, Chemiker an der New York University. Vor mehr als zwanzig Jahren begann er, sich vorzustellen, wie die Erbinformation in der DNA entwickelt werden könnte, um nützliche Aufgaben ausführen.

"DNA-Strukturen sind programmierbar von Sequenz, und so sind ihre intermolekularen Wechselwirkungen" Seemann sagt. "Das macht sie einzigartig."

Während Natur allein bestimmt, wie die meisten Moleküle interagieren, kommt DNA mit einem eingebauten Code, den Forscher neu formulieren können zu kontrollieren, welche DNA-Moleküle miteinander zu verbinden. Das Ziel dieser DNA basteln ist mikroskopisch kleine Fabriken, die maßgeschneiderte Moleküle sowie elektronische Komponenten 10 Mal kleiner als Stromgrenzwerte produzieren können.

"Nanofabrikation ist, wohin wir gehen," Seemann sagte LiveScience. "Es wird bald geschehen."

Intelligente Kleber

Ein einzelner DNA-Strang ist im Wesentlichen eine lange Sequenz besteht aus der chemischen Basen Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G). Jedes Lebewesen trägt einen einzigartigen genetischen Code in seinen Zellen ausgeschrieben, in diese "Briefe".

Beiden Stränge der DNA können miteinander verschmelzen und bilden die berühmten Doppelhelix, entdeckt von Crick und Watson im Jahr 1953. Aber diese verdrehte Leiter Anordnung kann nur geschehen, wenn die Grundlagen auf die beiden Stränge Spiel, so dass A Bond mit T und C es Bond mit G

Wissenschaftler verwenden diese selektive Klebstoff zu bauen und DNA-Maschinen zu steuern.

"Die Bande sind wie intelligente Kleber, die wissen, welche Teile zusammengehören," erklärt Thomas LaBean von der Duke University.

LaBean und andere beginnen in der Regel mit einem Design für eine Struktur, die mehrere DNA-Stücke hat. Ein Computerprogramm schreibt den Code für die verschiedenen Bereiche, die dann mit standard Methoden synthetisiert werden. Miteinander vermischt, in eine wässrige Lösung, werden die Stücke mit den passenden Codes verbinden mehrere Kopien der gewünschten Struktur zu bilden.

Es ist wie ein Flugzeug-Modell-Bausatz, außer alles, was Sie tun müssen, ist die Box schütteln und die kleinen Teile automatisch finden und miteinander verkleben.

Puzzle-Teile

DNA in der Natur ist oft nur eine lange ununterbrochene Kette, aber Forscher lieber andere Formen zur Verfügung stehen.

Vor mehr als drei Jahrzehnten entdeckten Biologen Zellen kreuzförmige DNA-Moleküle während der Replikation und Reparatur erstellen. Die Seitenarme oder Zweige, wachsen aus einem genetischen Code, dessen Buchstaben die gleichen nach vorne lesen, und nach hinten, wie die Palindrome "Rennwagen" und "Rotator."

Seeman und andere haben die Abfolge der palindromische DNA zu einer stabilen 4-armigen Molekül geändert. Sie haben auch DNA Zweig mit 3, 5 und 6 Armen entlockt.

Diese zweidimensionalen Strichmännchen sind nur wenige Nanometer, wo ein Nanometer ein Milliardstel eines Meters ist. Forscher entwickeln sie mit "klebrige enden" — einzelne DNA Stränge diese Handlung als Riegel zwischen den Molekülen. Ganze Arrays dieser verbindenden Zahlen lassen sich wie in einem Puzzle zusammensetzen.

Anfang dieses Jahres gebaut LaBean und seine Mitarbeiter 4 x 4 Gitter mit 16 kreuzförmige DNA-Stücke. Durch eine Art von Protein auf bestimmte "Pixel" auf diese Gitter anbringen, das Team ausgeschrieben "DNA."

Die Fähigkeit, DNA-Stücke Partikel zuordnen ist ein Schritt zur Herstellung von Nano-Elektronik. Wissenschaftler können per Anhalter, funktionale Materialien wie Metallen, Halbleitern und Isolatoren zu spezifischen DNA-Moleküle, die dann ihre Ladung zu vorgegebenen Positionen tragen kann. Bereits hat diese Technik verwendet eine einfache Transistor sowie metallische Drähte zu machen.

Es ist ein Problem, aber bei der Herstellung komplizierter Komponenten. Positive Ionen hinzufügen Forscher um negativ geladene DNA stabil zu halten, ihre Lösungen. Aber diese Ionen können stören die funktionalen Materialien benötigt, um Elektronik zu bauen.

"Es ist schwierig, all diese Dinge zur gleichen Zeit glücklich zu halten", sagt LaBean.

Eine Lösung könnte sein, ein DNA-ähnliches Molekül zu verwenden, die ungeladenen und hat noch den gleichen Code wie die DNA. Gibt es etwa 1000 "Geschmacksrichtungen" DNA-Derivate, sagt Seeman, also eines dieser den Trick tun könnte.

Das Problem ist, dass diese Alternativen 10 Mal teurer als normale DNA zu machen sein können nach LaBean. Es könnte sich lohnen, jedoch als Computer-Chip Herstellungstechniken derzeit nicht gehen kleiner als zehn Nanometern.

Arrays von DNA-ähnliche Moleküle selbst zusammenbauen könnte über diese Einschränkung durch die Bereitstellung der Gerüste für Nanometer-Maßstab Schaltungen hinausgehen. Dies würde nicht nur machen, unsere Computer und andere Geräte kompakter, aber schneller als auch.

Nano-Roboter

Neben der Kontrolle der Form der DNA-Assemblagen, können Forscher spezifische DNA-Anhänge um anderen DNA-Molekülen zu bewegen.

Einer der ersten Demonstrationen dieser kam im Jahr 2000, als eine Gruppe von Lucent Technologies in New Jersey eine kurze v-förmige DNA-Molekül hergestellt, die wie molekulare Pinzette gehandelt.

Platzieren mehrere Kopien ihrer Moleküle in Lösung, könnte die Forscher fangen die Pinzette geschlossen durch das Mischen in eine andere DNA-Molekül, einen "Set Strang,", der speziell an den beiden Enden des "V" Anleihen und zieht ihn geschlossen genannt. Öffnen der Zange hinzugefügt das Science-Team einen "unset Strang," die links zu den eingestellten Strang und zieht es von der Pinzette.

Mit einer ähnlich orchestrierte Bewegung, Seeman und seine Kollegen im Jahr 2004 machte ein Zweibeiner DNA-Molekül, das laufen konnte. Die Füße waren ein DNA übersäten Boden durch Set Stränge verankert. Der winzige Biped machte einen Schritt, wenn die Gruppe unset Stränge eingeführt, die ein Bein gleichzeitig freigegeben.

Montagelinie

Vor kurzem haben Seeman und Kollegen DNA-Roboter zu arbeiten, indem Sie Ihre Aufnahme in einem selbstorganisierenden Array gesetzt. Die Verbundgerät schnappt sich verschiedenen molekularen Ketten oder "Polymere" von einer Lösung und Sicherungen sie zusammen. Durch die Kontrolle der Position der Nano-Bots, können die Forscher die Anordnung der fertigen Polymer angeben.

Seeman hofft, dass diese winzigen Montagelinie in Nano-Fabriken erweitert werden kann, die ganze Suiten von Polymeren parallel synthetisieren würde. Die größte Herausforderung wird nun von 2D Arrays 3D-Strukturen. Die zusätzliche Dimension erlauben die Herstellung aufwändiger Moleküle sowie Dichter elektronische Schaltungen.

In Zukunft könnten Ärzte injizieren Varianten dieser automatisierten DNA-Maschinen in den Körper, Bio-Sensoren oder als Drug-Delivery-Systeme, die auf bestimmte Websites wie Tumoren oder Blut gerinnt, kann LaBean sagte.

Auch wenn einige dieser Anwendungen mehrere Jahre auf der Straße sind, Fortschritte bei der DNA-Nanotechnologie "geworden viel schneller jetzt, gibt es 20 oder mehr Gruppen dabei nicht nur mein eigenes," Seemann sagte.

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