thumbnail| DNK origami objekt od virusne DNK vizualiziran elektronskom tomografijom. The map is at the top and atomic model of the DNA colored below. (Deposited in EMDB EMD-2210 )
DNK origami je nanoskalno savijanje DNK radi stvaranja proizvoljnih dvodimenzijskih i trodimenzijskih oblika na nanoskali. Specifičnost interakcija između komplementarnih baznih parova čini DNK korisnim građevinskim materijalom, kroz dizajn njenih baznih sekvenci.<ref. DNK je dobro shvaćen materijal koji je pogodan za stvaranje skeleta koji drže druge molekule na mjestu ili za stvaranje samostalnih struktura.
DNK origami bio je naslovna priča u časopisu Nature 16. marta 2006. Od tada, DNK origami je prerastao okvire umjetnosti i pronašao brojne primjene, od sistema za isporuku lijekova do upotrebe kao sklopova u plazmoničnim uređajima; međutim, većina komercijalnih primjena ostaje u fazi koncepta ili testiranja.
Pregled Ideju o korištenju DNK kao građevinskog materijala prvi put je predstavio Nadrian Seeman početkom 1980-ih]]. Metod DNK origamija razvio je Paul Rothemund na Kalifornijskom tehnološkom institutu. Za razliku od uobičajenih metoda fabrikacije od vrha prema dolje, kao što su 3D printanje ili litografija, koje uključuju nanošenje ili uklanjanje materijala pomoću alata, DNK nanotehnologija, kao i DNK origami kao podskup, je metoda fabrikacije od dna prema vrhu. Racionalnim dizajniranjem sastavnih podjedinica DNK polimera, DNK se može samostalno sastaviti u različite oblike. Proces konstruisanja DNK origamija uključuje savijanje dugog jednostrukog lanca virusne DNK (obično genomske DNK od 7.249 bp bakteriofaga M13) uz pomoć više manjih "spajalica" lanaca. Ovi kraći lanci vežu duže na različitim mjestima, što rezultira formiranjem unaprijed definiranog dvo- ili trodimenzijskog oblika. Primjeri uključuju nasmijano lice i grubu kartu Kine i Amerike, zajedno s mnogim trodimenzijskim strukturama poput kocki.
Postoji nekoliko svojstava DNK koja čine molekulu idealnim građevinskim materijalom za DNK origami. Nizovi DNK imaju prirodnu tendenciju da se vežu za svoje komplementarne sekvence putem Watson-Crickovog baznog para. Ovo omogućava osnovnim nitima da lociraju poziciju na lancu skele bez ikakve vanjske manipulacije, što dovodi do samosastavljanja željene strukture.
Specifičan niz baza u DNK daje materijalu element programabilnosti određivanjem njegovog ponašanja vezivanja. Pažljivo dizajniranje sekvenci osnovnih niti omogućava naučnicima da precizno usmjere savijanje lanca skele u unaprijed određeni oblik sa visokom preciznošću.
Na hemijskom nivou, vodonične veze koje postoje između komplementarnih baznih parova pružaju čvrstoću i stabilnost presavijenim origami strukturama DNK. Osim toga, DNK je relativno stabilan molekul, nudeći otpornost u fiziološkim uslovima.
Jedna od prednosti korištenja DNK origami nanostruktura u odnosu na inače klasifikovanu DNK nanostrukturu je jednostavnost definisanja konačnih struktura. Prilikom dizajniranja nekih drugih DNK nanostruktura, može biti nepraktično dizajnirati izuzetno veliki broj individualiziranih lanaca ako je cijela struktura sastavljena od manjih lanaca. Jedan od načina zaobilaženja potrebe za ogromnim brojem različitih lanaca je korištenje ponavljajućih jedinica, što dolazi s nedostatkom distribucije veličina, a ponekad i oblika. Međutim, DNK origami formira diskretne strukture.
Primjene DNK origamija su prvenstveno usmjerene na sposobnost fine kontrole sistema, posebno ograničavanjem položaja molekula, obično vezivanjem za DNK origami nanostrukture. Trenutne primjene su prvenstveno usmjerene na detekciju i isporuku lijekova, ali su istražene mnoge dodatne primjene.
Izrada Izrada DNK origami objekata zahtijeva preliminarnu intuiciju trodimenzionalnog strukturnog dizajna DNK. Ovo može biti teško shvatiti zbog složenosti isključivog korištenja parova adenin-timin i parova gvanin-citozin za savijanje i raspetljavanje dvostrukih spiralnih molekula DNK tako da izlazni lanci proizvode jedinstveno željene oblike.
Softver za dizajn i izbor sekvenci baznih parova postaju ključni za stvaranje složenih 2D ili čak 3D oblika, jer ključ DNK origamija leži u preciznom sparivanje baza između dva gradivna bloka tehnike: glavčastih lanaca i skele. Ovo osigurava specifično vezivanje i precizno savijanje. Skeletni lanac je dugačak, jednolančani molekul DNK, često porijeklom iz virusa. Glavne niti su kraći lanci DNK dizajnirani da se vežu za specifične sekvence na skeletnom lancu, diktirajući njegovo savijanje.
Da bi se dobio željeni oblik, slike se crtaju sa rasterskim popunjavanjem jedne duge DNK molekule. Ovaj dizajn se zatim unosi u računarski program koji izračunava položaj pojedinačnih glavčastih lanaca. Svaka spajalica se veže za specifičnu regiju DNK matrice, i stoga, zahvaljujući Watson-Crickovom baznom paru, potrebne sekvence svih lanaca spajalica su poznati i prikazani. DNK se miješa, zatim zagrijava i hladi. Kako se DNK hladi, različite spajalice povlače dugi lanac u željeni oblik. Dizajni se mogu direktno posmatrati putem nekoliko metoda, uključujući elektronsku mikroskopiju, mikroskopiju atomskih sila ili fluorescentnu mikroskopiju kada je DNK spojena sa fluorescentnim materijalima. thumb|Proces izrade DNK origamija Metodi samosastavljanja odozdo prema gore smatraju se obećavajućim alternativama koje nude jeftinu, paralelnu sintezu nanostruktura pod relativno blagim uslovima.
Od stvaranja ovog metoda, razvijen je softver koji pomaže procesu korištenjem CAD softvera. Ovo omogućava istraživačima da koriste računar kako bi odredili način kreiranja ispravnih spajalica, potrebnih za formiranje određenog oblika. Jedan takav softver pod nazivom caDNAno je softver otvorenog koda za kreiranje takvih struktura iz DNK. Upotreba softvera ne samo da je povećala jednostavnost procesa, već je i drastično smanjila greške nastale ručnim proračunima.
Nakon pažljivog planiranja sekvence osnovnih niti pomoću softvera kako bi se osiguralo da se vežu za lanac skele na predviđenim tačkama, dizajnirane sekvence osnovnih niti se sintetiziraju u laboratoriji korištenjem tehnika poput automatizirane sinteze DNK. Konačno, lanac skele i osnovne niti se miješaju u puferskom rastvoru i podvrgavaju određenom temperaturnom ciklusu. Ovaj ciklus omogućava osnovnim nitima da pronađu svoje komplementarne sekvence na lancu skele i vežu se putem vodikove veze, uzrokujući da se skela savije u željeni oblik.
Dinamičke strukture i modifikacije
Kao i u širem području DNK nanotehnologije, DNK origami može biti dinamičan po prirodi korištenjem različitih metoda. Tri primarna metoda stvaranja dinamičke DNK origami mašine su pomjeranje lanca posredovano uporištem, enzimske reakcije i slaganje baza. Iako se ovi metodi najčešće koriste, postoje i dodatni za kreiranje dinamičkih DNK omašina, kao što je dizajniranje usmjerene komponente i korištenje Brownovog kretanja za pokretanje rotacijskog kretanja struktura. ili korištenjem manje uobičajeno korištenih fenomena samosklapanja DNK poput G-kvadripleksa ili i-motiva koji mogu biti pH vrijednosti.
thumb|Dinamička mašina DNK origamija koja koristi usmjerenu komponentu i Brownovo kretanje za generiranje rotacije. Modifikacije se mogu koristiti i za utjecaj na strukturna svojstva, za davanje jedinstvene kemije nanostrukturama ili za dodavanje stimulativnih odgovora nanostrukturama. Modifikacije struktura mogu se izvršiti konjugacijom molekula poput proteina ili hemijskom modifikacijom samih DNK baza. Reakcije zavisne od pH, reakcije zavisne od svjetlosti i još mnogo toga prikazane su kroz modificirane sisteme.
Jedan primjer primjene stvaranja dinamičkih struktura je sposobnost da se dobije stimulativni odgovor koji rezultira oslobađanjem lijeka, što je predstavljeno od strane nekoliko grupa. Druge, manje uobičajene primjene dolaze u detekciji mehanizama kretanja in vivo, kao što je odmotavanje helikaza.
Biomedicinske primjene DNK origami, budući da je napravljen od prirodnog biološkog polimera, dobro je prilagođen biološkom okruženju kada koncentracije soli to dozvoljavaju, i nudi finu kontrolu nad pozicioniranjem molekula i struktura u sistemu. To omogućava primjenu DNK origamija u brojnim scenarijima u biomedicinskom inženjerstvu. Trenutne biomedicinske primjene uključuju oslobađanje lijekova s mehanizmima 0. reda, vakcine, ćelijsku signalizaciju, i senzorske primjene.
DNK je savijena u oktaedar i obložena jednim dvoslojem fosfolipid,a oponašajući omotač čestice virusa. DNK nanočestice, svaka otprilike veličine viriona, mogu ostati u cirkulaciji satima nakon ubrizgavanja u miševe. Također izaziva mnogo slabiji imunski odgovor od neobloženih čestica. Istraživači sa Wyss instituta na Univerzitetu Harvard izvijestili su da se radi o potencijalnoj upotrebi u isporuci lijekova.
Istraživači na Univerzitetu Harvard Wyss institut izvijestili su o samosastavljajućim i samouništavajućim posudama za isporuku lijekova koristeći DNK origami u laboratorijskim testovima. DNK nanorobot koji su kreirali je otvorena DNK cijev sa šarkom na jednoj strani koja se može zatvoriti. DNK cijev napunjena lijekom drži zatvorenu DNK aptamer, konfiguriran da identificira i traži određene oboljele proteine. Kada origami nanoroboti dođu do zaraženih ćelija, aptameri se raspadaju i oslobađaju lijek. Prvi model bolesti koji su istraživači koristili bili su leukemija i limfom.
Istraživači u Nacionalnom centru za nanoznanost i tehnologiju u Pekingu i Državnom univerzitetu Arizona izvijestili su o DNK origami transportnom vozilu za doksorubicin, dobro poznati lijek protiv raka. Lijek je nekovalentno vezan za DNK origami nanostrukture putem interkalacije i postignuta je visoka koncentracija lijeka. Kompleks DNK-doksorubicin apsorbirale su ćelije raka adenokarcinoma dojke kod ljudi (MCF-7) putem ćelijske internalizacije sa mnogo većom efikasnošću nego doksorubicina u slobodnom obliku. Povećanje aktivnosti ubijanja ćelija uočeno je ne samo u regularnim MCF-7, već, što je još važnije, i u ćelijama otpornim na doksorubicin. Naučnici su teoretizirali da DNK origami napunjen doksorubicinom inhibira zakiseljavanje lizosoma, što rezultira ćelijskom preraspodjelom lijeka na mjesta djelovanja, čime se povećava citotoksičnost protiv tumorskih ćelija. Dalja testiranja in vivo na miševima sugeriraju da je doksorubicin tokom perioda od 12 dana bio efikasniji u smanjenju veličine tumora kod miševa kada je bio sadržan u DNK origami nanostrukturama ili DON-ovima.
Istraživači sa Massachusetts Institute of Technology razvijaju metod za vezivanje različitih virusnih antigena na DNK čestice u obliku virusa kako bi imitirali virus, a koja će se koristiti za razvoj novih vakcina. Ovo je započeto 2016. [godine kada je Batheova laboratorija kreirala algoritam poznat kao DAEDALUS (Algoritam za dizajn DNK origami sekvence za korisnički definirane strukture) za generiranje precizno kontrolisanih trodimenzionzijskih oblika DNK. Koristeći alat, dizajnirali su skelu u obliku virusa koja može modularno pričvrstiti različite antigene na površinu DNK skele. Trenutno, MIT radi na razvoju optimalnih geometrija za B-ćelije kako bi prepoznale HIV antigene. Dalja istraživanja su pokušala zamijeniti HIV antigene sa SARS-CoV-2 i testiraju da li vakcine pokazuju odgovarajući imunski odgovor iz izolovanih B ćelija i kod miševa. thumb| Dijagram DNK origamija koji se veže za antigene kako bi se generirali programabilni angažatori T-ćelija.