Leuk, een vaasje van dna-origami! Maar het heeft ook nuttige toepassingen

Een nieuw algoritme kan complexe bouwwerken op nanoschaal ontwerpen, waaronder een moleculaire vaas. Het maakt gebruik van een techniek die ‘dna-origami’ heet, waarbij dna-moleculen als bouwmateriaal dienen. De techniek werd binnen nanotechnologie al veel gebruikt, maar nu hebben onderzoekers het ontwerpproces geautomatiseerd om nog ingewikkeldere structuren te maken dan mensen handmatig kunnen. De studie verscheen in wetenschappelijk tijdschrift Science Advances.

Met gevoel voor humor werd het onderzoeksveld van dna-origami deze eeuw aan de wereld gepresenteerd. Wetenschappelijk tijdschrift Nature zette in 2006 een smiley op de cover, gemaakt van dna. De beroemde studie liet zien hoe geschikt dna wel niet is voor nanotechnologie: de lettertjes, ofwel de nucleotiden waaruit dna bestaat, passen van nature precies op elkaar. En dus plakten, knipten en vouwden chemici met uitzonderlijke precisie stukjes dna om elke denkbare tweedimensionale vorm te maken. Dat chemische spierballenvertoon ging nog even door, tot zelfs een moleculaire Mona Lisa werd nagebouwd.

Vormen met veel bochtjes

Toch bleek de techniek niet grenzeloos. Naarmate nanotechnologie-onderzoekers steeds ingewikkeldere driedimensionale structuren wilden maken, bleek het resulterende bouwwerk vaak minder stabiel. Dat is vaak het geval bij holle ruimtelijke vormen, of vormen met veel bochtjes en bolling.

Maar een nieuw algoritme maakt het ontwerpen makkelijker, laten onderzoekers nu zien. Een gebruiker kan in een softwareprogramma een vorm uploaden, en het programma bedenkt een stappenplan om het te maken. Het kan afgesloten holle en gebogen vormen maken, door allerlei ringvormige laagjes dna op elkaar te plakken. Vervolgens berekent het waar er dwarsverbindingen tussen de dna-ringen nodig zijn, zodat een steviger geheel ontstaat. Dan komt het eindresultaat: een ingrediëntenlijst van verschillende dna-fragmenten, die in een reageerbuisje vanzelf in elkaar zullen vallen tot de gewenste vorm.

In praktijk probeerden de onderzoekers het uit met een aantal ‘vazen’ op nanoschaal, van verschillende vormen. Het ontwerpprogramma brengt inderdaad een stabielere nanovaas voort dan een mens handmatig zou kunnen. Dat komt vooral doordat er weinig fout gaat bij het aanleggen van dwarsverbindingen tussen de dna-ringen. Bij kromme vormen is het moeilijk te voorspellen hoeveel ruimte er tussen ringen valt, waardoor een verbindend stukje dna er niet altijd tussen past. Het algoritme kan beter voorspellen hoe groot verbindingsstukjes tussen dna-ringen moeten zijn.

Een zekere volwassenheid

Inmiddels heeft het onderzoeksveld van dna-origami een zekere volwassenheid bereikt, en wordt het steeds duidelijker waarom moleculaire bouwwerkjes nuttig kunnen zijn. Zo kunnen medicijnen die in het lichaam te makkelijk afgebroken worden, in een holle afgesloten nanodoos binnen het lichaam vervoerd worden naar de juiste plek. Daarom zijn er steeds meer onderzoekers zonder verstand van dna-origami die de techniek wel willen gebruiken.

Daarvoor biedt de nieuwe studie mogelijkheden, zegt nanotechnoloog en medeauteur Raghu Pradeep Narayanan. „Dna-nanostructuren zijn nu toegankelijk gemaakt voor andere onderzoekers. Dit was het ontbrekende puzzelstukje: automatisering was eerder al gelukt voor andere twee- en driedimensionale structuren, maar nu ook voor gebogen driedimensionale vormen. Dat maakt dna-nanotechnologie geschikt voor het afleveren van medicijnen in het lichaam, of om nanodeeltjes te maken voor in zonnecellen, medische scans en andere toepassingen.”