DNA 종이접기

DNA origami
전자 단층 [1]촬영으로 시각화된 바이러스 DNA의 DNA 종이접기 물체.지도는 아래 색칠된 DNA의 맨 위 및 원자 모델에 있습니다.(EMDBEMD-2210에 저장됨)

DNA 종이접기는 임의의 2차원 및 3차원 형태를 만들기 위한 DNA의 나노 크기의 접힘이다.상보적인 염기쌍 사이의 상호작용의 특이성은 염기서열의 [2]설계를 통해 DNA를 유용한 구성 재료로 만듭니다.DNA는 다른 분자를 제자리에 고정시키는 발판을 만들거나 스스로 구조를 만드는 데 적합한 잘 알려진 물질이다.

DNA 종이접기는 2006년 [3]3월 16일 네이처의 표지 기사였다.그 후 DNA 종이접기는 예술적 형태를 넘어 약품 전달 시스템에서 플라스모닉 디바이스의 회로로 사용되는 많은 응용 프로그램을 찾아냈습니다.그러나 대부분의 상업적 응용 프로그램은 개념 또는 [4]테스트 단계에 머물러 있습니다.

개요

DNA를 건축자재로 사용하는 아이디어는 1980년대 초에 Nadrian [5]Seeman에 의해 처음 소개되었다.현재 DNA 종이접기의 방법은 캘리포니아 [6]공과대학의 폴 로테문드에 의해 개발되었다.이 과정은 여러 개의 작은 "자루" 가닥에 의해 도움을 받는 바이러스 DNA의 긴 단일 가닥(일반적으로 M13 박테리오파지의 7,249 bp 게놈 DNA)의 접힘을 포함합니다.이러한 짧은 가닥은 다양한 장소에서 긴 결합을 이루어 미리 정의된 2차원 [7]또는 3차원 형상을 형성합니다.예를 들면, 웃는 얼굴과 중국과 아메리카의 거친 지도, 그리고 [8]큐브와 같은 많은 입체적인 구조물들이 있다.

원하는 모양을 만들기 위해, 이미지는 하나의 긴 DNA 분자의 래스터 필로 그려집니다.그런 다음 이 설계는 개별 주요 가닥의 위치를 계산하는 컴퓨터 프로그램에 입력됩니다.각 스테이플은 DNA 템플릿의 특정 영역에 결합하므로 왓슨-크릭 염기쌍에 의해 모든 스테이플 스트랜드에 필요한 배열을 알고 표시할 수 있다.DNA는 섞이고, 가열되고, 식혀집니다.DNA가 식으면 다양한 스테이플이 긴 가닥을 원하는 모양으로 당깁니다.DNA가 형광물질과 결합될 때 전자현미경, [6]원자력현미경, 형광현미경 등 여러 방법을 통해 디자인을 직접 관찰할 수 있다.

상향식 자가조립법은 비교적 가벼운 조건에서 나노구조를 저렴하고 병렬적으로 합성할 수 있는 유망한 대안으로 꼽힌다.

이 방법이 만들어진 이후 CAD 소프트웨어를 사용하여 프로세스를 지원하기 위해 소프트웨어가 개발되었습니다.이것은 연구자들이 특정 모양을 만드는 데 필요한 올바른 스테이플을 만드는 방법을 결정하기 위해 컴퓨터를 사용할 수 있게 해준다.caDNAno라고 불리는 그러한 소프트웨어 중 하나는 DNA로부터 그러한 구조를 만들기 위한 오픈 소스 소프트웨어이다.소프트웨어를 사용함으로써 프로세스의 용이성이 향상되었을 뿐만 아니라 수동 [9][5]계산에 의한 에러도 큰폭으로 감소했습니다.

적용들

효소 고정화, 약물 전달 시스템, 나노기술적 물질 자체 조립을 포함한 많은 잠재적 응용이 문헌에서 제안되어 왔다.DNA는 나노로보틱 응용을 위한 활성 구조를 구축하기 위한 자연스러운 선택은 아니지만, 구조 및 촉매적 다양성이 부족하기 때문에 몇몇 논문은 종이접기와 알고리즘 [8][10]컴퓨팅을 위한 스위치에서 분자 보행기의 가능성을 조사했습니다.다음 단락은 임상 가능성이 있는 실험실에서 수행된 보고된 애플리케이션 중 일부를 나열합니다.

하버드 대학 와이즈 연구소의 연구원들은 실험실에서 DNA 종이접기를 사용하여 자가 조립하고 자가 파괴하는 약물 전달 선박을 보고했습니다.그들이 만든 DNA 나노로봇은 열린 DNA 튜브로, 한쪽 면에 경첩이 달려 있어 닫힐 수 있다.약물이 채워진 DNA 튜브는 특정 질병과 관련된 단백질을 식별하고 찾도록 구성된 DNA 압타머에 의해 닫혀 있습니다.일단 종이접기 나노봇이 감염된 세포에 도달하면, 압타머는 분해되고 약을 방출한다.연구진이 사용한 첫 번째 질병 모델은 백혈병과 [11]림프종이었다.

베이징과 애리조나 주립대학교에 있는 국립 나노과학기술센터의 연구원들은 유명한 항암제인 독소루비신의 DNA 종이접기 운반체를 보고했다.이 약물은 DNA 종이접기 나노구조에 인터칼레이션을 통해 비공유적으로 부착되어 높은 약물 부하를 달성하였다.DNA-독소르비신 복합체는 자유로운 형태의 독소르비신보다 훨씬 높은 효율로 세포 내화를 통해 인간 유방 선암 세포(MCF-7)에 흡수되었다.세포 죽이기 활성의 증가는 일반 MCF-7에서만 관찰된 것이 아니라, 더 중요한 것은 독소르비신 내성 세포에서도 관찰되었다.과학자들은 독소르비신이 함유된 DNA 종이접기가 리소좀 산화를 억제하고, 그 결과 약물이 활동 부위로 세포 재분배되어 종양 [12][13]세포에 대한 세포독성을 증가시킨다는 이론을 세웠다.

오르후스 대학의 iNANO 센터와 CDNA 센터의 과학자 그룹에 의해 수행된 연구에서, 연구원들은 작은 다중 전환 가능한 3D DNA 박스 종이접기를 제작할 수 있었다.제안된 나노 입자는 AFM, TEM 및 FLET로 특징지어졌습니다.만들어진 박스는 독특한 재접속 메커니즘을 가지고 있어 DNA 또는 RNA 키의 고유한 세트에 반응하여 반복적으로 열렸다 닫혔다 할 수 있는 것으로 나타났습니다.저자들은 이 DNA 장치가 단일 분자의 기능 제어, 약물 전달 제어, 분자 컴퓨팅과 같은 광범위한 [14]응용 분야에 잠재적으로 사용될 수 있다고 제안했다.

DNA 종이접기로 만들어진 나노로봇은 컴퓨터 처리 능력을 증명하고 생물 내부에서 미리 프로그래밍된 작업을 완료했다고 하버드 대학의 Wys Institute와 Bar-Ilan University의 Nano Technology and Advanced Materials 팀에 의해 보고되었습니다.그 개념의 증거로, 연구팀은 살아있는 바퀴벌레에게 다양한 종류의 나노봇을 주입했다.연구팀은 바퀴벌레 내부의 표식을 추적해 표적 세포에서 분비되는 분자 전달의 정확성, 나노봇 간의 상호작용, 제어장치와 동등한 것을 발견했다.논리 연산, 결정 및 행동의 복잡성은 나노봇의 수가 증가함에 따라 증가합니다.연구팀은 바퀴벌레의 처리 능력을 8비트 컴퓨터의 [15][16]처리 능력까지 끌어올릴 수 있을 것으로 추정했다.

DNA는 8면체로 접혀져 인지질의 단일 이중층으로 코팅되어 바이러스 입자의 외피를 모방합니다.각각 비리온 크기의 DNA 나노 입자는 쥐에게 주입된 후 몇 시간 동안 순환 상태를 유지할 수 있다.그것은 또한 코팅되지 않은 입자보다 훨씬 낮은 면역 반응을 유발한다.하버드 대학의 [17][18]Wyss 연구소의 연구원들이 보고한 바에 따르면, 그것은 약물 전달에 잠재적인 용도를 제시한다.

같은 어프로치

DNA 종이접기와 같은 목표를 달성하기 위해 단백질 디자인을 사용한다는 생각 또한 표면화 되었다.슬로베니아의 국립 화학 연구소 연구원들은 DNA 종이접기에서 볼 수 있는 것과 매우 유사한 구조를 만들기 위해 단백질 접힘의 합리적인 디자인을 사용하는 것을 연구하고 있다.단백질 접이식 설계에서 현재 연구의 주요 초점은 표적 [19][20]운반체를 만드는 방법으로 단백질에 부착된 항체를 사용하는 약물 전달 분야이다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Bai, Xiao-chen; Martin, Thomas G.; Scheres, Sjors H. W.; Dietz, Hendrik (2012-12-04). "Cryo-EM structure of a 3D DNA-origami object". Proceedings of the National Academy of Sciences. 109 (49): 20012–20017. doi:10.1073/pnas.1215713109. ISSN 0027-8424. PMC 3523823. PMID 23169645.
  2. ^ Zadegan, R.M.; Norton, M.L. (2012). "Structural DNA Nanotechnology: From Design to Applications". Int. J. Mol. Sci. 13 (6): 7149–7162. doi:10.3390/ijms13067149. PMC 3397516. PMID 22837684.
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  5. ^ a b Seeman, Nadrian C. (1982-11-21). "Nucleic acid junctions and lattices". Journal of Theoretical Biology. 99 (2): 237–247. doi:10.1016/0022-5193(82)90002-9. PMID 6188926.
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  7. ^ Douglas, Shawn M.; Dietz, Hendrik; Liedl, Tim; Högberg, Björn; Graf, Franziska; Shih, William M. (May 2009). "Self-assembly of DNA into nanoscale three-dimensional shapes". Nature. 459 (7245): 414–418. Bibcode:2009Natur.459..414D. doi:10.1038/nature08016. ISSN 0028-0836. PMC 2688462. PMID 19458720.
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  10. ^ DNA가 실리콘에서 '자동으로 조직화'됨, BBC뉴스, 2009년 8월 17일
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  20. ^ Zadegan, Reza M.; Norton, Michael L. (June 2012). "Structural DNA Nanotechnology: From Design to Applications". Int. J. Mol. Sci. 13 (6): 7149–7162. doi:10.3390/ijms13067149. PMC 3397516. PMID 22837684.

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