DNA-origami: nanotechnologie gevouwen uit erfelijk materiaal
DNA-origami is een techniek waarbij wetenschappers een lange streng DNA – het molecuul dat normaal gesproken erfelijke informatie draagt – vouwen tot een vooraf bepaalde vorm op nanoschaal, duizenden keren kleiner dan de dikte van een haar. Het idee lijkt op klassieke papieren origami, maar dan met één heel lange 'papierstrook' die op zijn plaats wordt gehouden door honderden kleine 'nietjes'. Die nietjes zijn zelf ook stukjes DNA, die precies op de goede plek aan de lange streng vastklikken en hem daarmee in de gewenste vorm dwingen.
Het resultaat kan van alles zijn: een piepklein lachend gezichtje, een doosje met een deksel, een tandwiel, of een soort robotje dat een medicijn vervoert. Deze structuren zijn meestal tussen de 50 en 150 nanometer groot (een nanometer is een miljardste meter) en worden niet met de hand gebouwd, maar vouwen zichzelf in een reageerbuisje, simpelweg doordat de juiste stukjes DNA elkaar automatisch opzoeken.
Wat is het precies?
De basis van DNA-origami is een lange, enkelstrengige DNA-molecuul, de zogeheten scaffold (steiger). Onderzoekers gebruiken hiervoor vaak het erfelijk materiaal van een onschadelijke virus dat bacteriën infecteert (de bacteriofaag M13), omdat dat een goed beschikbare, ongeveer 7000 bouwstenen lange enkele streng oplevert.
Om deze lange streng in vorm te dwingen, voegen onderzoekers honderden korte, kunstmatig gemaakte DNA-stukjes toe: de staples (nietjes), doorgaans zo'n 20 tot 40 bouwstenen lang. Elke staple is zo ontworpen dat hij op twee verschillende plekken aan de lange scaffold-streng bindt, via het bekende principe van base-paring: de DNA-letters A en T, en C en G, vinden elkaar automatisch en vormen samen een stevig verbonden dubbele streng.
Door honderden van dit soort nietjes tegelijk op specifieke plekken te laten binden, wordt de lange streng als het ware op zichzelf teruggevouwen tot een compacte, driedimensionale vorm. Dit proces heet zelf-assemblage: er is geen externe machine nodig, alleen de juiste chemische omgeving. In de praktijk mengt men scaffold en staples in een zoutoplossing, verwarmt dit tot bijna kookpunt en laat het vervolgens langzaam afkoelen (annealing), een proces dat uren tot een hele dag kan duren.
Omdat het ontwerpen van honderden nietjes met de hand ondoenlijk is, gebruiken onderzoekers computersoftware zoals caDNAno, waarmee ze eerst digitaal een 3D-vorm tekenen en de software vervolgens automatisch berekent welke staples nodig zijn. Aan specifieke plekken op de gevouwen structuur kunnen bovendien andere moleculen worden vastgemaakt, zoals fluorescerende kleurstoffen, eiwitten of metaaldeeltjes, met een nauwkeurigheid van enkele nanometers.
Wat wil men ermee bereiken?
Het aantrekkelijke van DNA-origami is de extreme precisie waarmee je op nanoschaal dingen kunt positioneren, iets wat met traditionele nanotechnologie (zoals lithografie, het 'etsen' van patronen in materialen) veel lastiger is. Dat opent een aantal onderzoeksrichtingen.
Een belangrijk doel is medicijnafgifte: een DNA-doosje dat een geneesmiddel binnenin verpakt en pas opengaat wanneer het de juiste omgeving herkent, bijvoorbeeld chemische signalen op het oppervlak van een kankercel. Een tweede toepassingsgebied is biosensoren, waarbij DNA-origami dient als een soort nauwkeurig 'prikbord' om detectiemoleculen zo te plaatsen dat ze extreem gevoelig een specifiek molecuul of virus kunnen opsporen.
Daarnaast wordt DNA-origami gebruikt in de plasmonica en nano-elektronica, waar het exact op afstand plaatsen van metalen nanodeeltjes bepaalt hoe licht of elektrische signalen zich gedragen. Ook in de structurele biologie is het nuttig: onderzoekers gebruiken DNA-origami-frames om losse eiwitten op hun plek te houden, zodat ze makkelijker met krachtige microscopen (zoals cryo-elektronenmicroscopie) bestudeerd kunnen worden. Ten slotte is er fundamenteel onderzoek naar zelf-assemblage zelf: begrijpen hoe je met simpele bouwregels complexe, functionele nanomachines kunt laten ontstaan.
Voorbeelden uit de praktijk
De techniek werd in 2006 geïntroduceerd door Paul Rothemund, destijds verbonden aan het California Institute of Technology (Caltech). In een spraakmakend artikel in het tijdschrift Nature liet hij zien hoe een enkele lange DNA-streng gevouwen kon worden tot platte tweedimensionale vormen, waaronder een lachend gezichtje en een kaart van Noord- en Zuid-Amerika, elk maar enkele tientallen nanometers groot.
In 2009 breidde de onderzoeksgroep van William Shih (Wyss Institute, Harvard University) de techniek uit naar drie dimensies, met onder meer een DNA-doosje met een deksel dat op commando kon openklappen, gepubliceerd in Science.
Een veelbesproken vervolgstap kwam in 2012, toen Shawn Douglas en Ido Bachelet, eveneens verbonden aan het Wyss Institute, een DNA-origami-'nanorobot' beschreven: een soort ton die zich pas opent wanneer specifieke merkers op een celoppervlak worden herkend, en die in laboratoriumproeven op cellen een biologisch signaal kon afleveren.
De groep van Hendrik Dietz aan de Technische Universität München heeft de afgelopen jaren zeer complexe driedimensionale structuren gebouwd, waaronder mechanische DNA-onderdelen die lijken op tandwielen en scharnieren, en virusachtige DNA-omhulsels die worden onderzocht als mogelijke bouwstenen voor vaccins.
Een meer alledaagse, al werkende toepassing komt van het Duitse bedrijf GattaQuant, dat DNA-origami-structuren met exact bekende afmetingen verkoopt als 'nanolinialen': kalibratiestandaarden waarmee laboratoria de nauwkeurigheid van hun super-resolutiemicroscopen kunnen controleren.
Hoe ver is de techniek?
DNA-origami is inmiddels een volwassen laboratoriumtechniek: het ontwerpen en bouwen van nanostructuren is over het geheel genomen betrouwbaar geworden, mede dankzij ontwerpÂsoftware en dalende kosten van synthetisch DNA. Toch is het merendeel van de toepassingen nog experimenteel en beperkt tot onderzoeksomgevingen.
Voor medische toepassingen liggen er nog stevige hobbels. DNA wordt in het lichaam relatief snel afgebroken door enzymen (nucleasen), waardoor origami-structuren zonder extra bescherming maar kort intact blijven. Onderzoekers experimenteren met coatings van lipiden of eiwitten om structuren stabieler te maken, maar een goedgekeurd DNA-origami-geneesmiddel bestaat op dit moment niet.
Ook opschaling is een uitdaging: het produceren van honderden unieke staple-strengen in grote, medisch bruikbare hoeveelheden en met consistente kwaliteit is kostbaarder en complexer dan het maken van klassieke chemische medicijnen. Waar de techniek al wel commercieel wordt ingezet, is in niches zoals meetstandaarden voor microscopie en als onderzoeksgereedschap voor structurele biologie. De ontwikkeling verloopt gestaag, met regelmatig nieuwe wetenschappelijke mijlpalen, maar een concreet tijdpad naar bredere klinische of industriële toepassing is nog onzeker.
Wie werken eraan?
De conceptuele basis voor DNA-nanotechnologie werd al in de jaren tachtig gelegd door Nadrian (Ned) Seeman aan de New York University, die liet zien dat DNA-strengen bewust tot stabiele, kunstmatige structuren te combineren zijn, ruim voordat de term 'DNA-origami' bestond. Paul Rothemund (Caltech) bouwde daarop voort met de origami-methode zoals die nu bekend is.
Belangrijke onderzoeksgroepen die de techniek verder hebben ontwikkeld, zijn onder meer die van William Shih en George Church aan het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van Harvard University, en de groep van Hendrik Dietz aan de Technische Universität München, een van de meest actieve labs op het gebied van complexe 3D-DNA-nanomachines. Ook Kurt Gothelf en collega's aan Aarhus University in Denemarken doen al langere tijd onderzoek naar biomedische toepassingen van DNA-nanostructuren.
Naast academische groepen in de Verenigde Staten, Duitsland en Denemarken zijn er actieve onderzoeksteams in onder meer het Verenigd Koninkrijk, Nederland en China. Op commercieel vlak leveren gespecialiseerde bedrijven als Tilibit Nanosystems (Duitsland) kant-en-klare DNA-origami-bouwstenen aan laboratoria, terwijl GattaQuant zich richt op meetstandaarden voor microscopie.