Μια κονσόλα οθόνης βασισμένη σε DNA για μοριακές ενδείξεις
Γνωρίζουμε το DNA ως το γενετικό σχέδιο της ζωής. Το DNA μπορεί να συντεθεί χημικά και να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή δομών και συσκευών νανοκλίμακας. Οι νανοσυσκευές που βασίζονται σε DNA μπορούν να ανταποκριθούν σε συνθήματα όπως άλλα μόρια, pH, θερμοκρασία και ιοντικές συνθήκες και μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως βιοαισθητήρες.
Ορισμένες νανοσυσκευές DNA έχουν σχεδιαστεί για να παρέχουν οπτικές εξόδους που μας λένε για τα μοριακά συμβάντα που συνέβησαν. Για παράδειγμα, οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει στο παρελθόν μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM) για να εμφανίσουν πολυμορφισμούς μεμονωμένων νουκλεοτιδίων (μια παραλλαγή αλληλουχίας DNA που προκαλεί ανωμαλίες) ως αλφαβητικούς χαρακτήρες και για να υπολογίσουν απλά μαθηματικά, όπως ο πολλαπλασιασμός που εμφανίζεται σε μια ψηφιακή οθόνη νανοκλίμακας. Στην πρόσφατη έρευνά μου, οι νανοδομές DNA που αλλάζουν σχήμα χρησιμοποιούνται για την αναγνώριση και την αντίδραση σε συγκεκριμένους κλώνους DNA εισόδου, με την προκύπτουσα έξοδο να εμφανίζεται γραφικά χρησιμοποιώντας ηλεκτροφόρηση γέλης.
Ο νανοδιακόπτης DNA που χρησιμοποιείται σε αυτή τη μελέτη έχει δύο καταστάσεις. Η κατάσταση "off" είναι ένα γραμμικό διπλό που σχηματίζεται από ένα μακρύ μονόκλωνο (~7 kilobases) υβριδοποιημένο σε βραχέα συμπληρωματικά ολιγονουκλεοτίδια ραχοκοκαλιάς. Δύο από τα βασικά ολιγονουκλεοτίδια μπορούν να τροποποιηθούν ώστε να περιέχουν μονόκλωνες επεκτάσεις που είναι εν μέρει συμπληρωματικές με έναν άλλο κλώνο DNA (τον κλώνο δεδομένων εισόδου). Η δέσμευση του κλώνου εισόδου στον νανοδιακόπτη δημιουργεί μια κατάσταση "on" με βρόχο που μπορεί εύκολα να αναγνωριστεί σε ένα τζελ (βλ. εικόνα).
Ο νανοδιακόπτης DNA είναι προγραμματιζόμενος. Οι τοποθεσίες διευθύνσεων μπορούν να εισαχθούν οπουδήποτε κατά μήκος του ικριώματος, καταλήγοντας έτσι σε διαφορετικά μεγέθη βρόχων (που μεταναστεύουν σε διαφορετικές θέσεις σε μια γέλη). Οι νανοδιακόπτες με πολλές τοποθεσίες διευθύνσεων χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία «pixel DNA» για την αποθήκευση και την εμφάνιση αλφαριθμητικών χαρακτήρων. Η ανάγνωση των αποθηκευμένων πληροφοριών εμπνέεται από κυκλώματα ψηφιακής απεικόνισης όπου μια σειρά από bit εμφανίζει ένα συγκεκριμένο μοτίβο (για παράδειγμα, έναν αριθμό ή ένα γράμμα). Αυτή η πολλαπλή είσοδο ο νανοδιακόπτης μπορεί να αναγνωρίσει διαφορετικά μόρια εισόδου. Αυτοί οι κλώνοι εισόδου DNA είναι συμπληρωματικοί (δηλαδή μπορούν να συνδεθούν) σε ένα ζεύγος θέσεων διευθύνσεων (βλ. σχήμα). Η προσθήκη αυτών των κλώνων DNA εισόδου ενεργοποιεί βρόχους συγκεκριμένων μεγεθών, οι οποίοι έχουν ως αποτέλεσμα διαφορετικές ζώνες σε ένα πήκτωμα.
Τώρα φανταστείτε το τζελ ως έναν τμηματοποιημένο πίνακα οθόνης με μια μήτρα ανάγνωσης 5×5, όπου κάθε ζώνη με βρόχο παρέχει ένα "pixel" στη μήτρα. Για παράδειγμα, χρησιμοποιήθηκαν συγκεκριμένοι κλώνοι εισόδου για την ενεργοποίηση και την εμφάνιση τριών αλφαβητικών χαρακτήρων "r", "N" και "A" (δείτε την παρακάτω εικόνα). Αν και δεν πρόκειται για απεικόνιση εικόνας με εικονοστοιχεία, όπως η πρόσφατη Μόνα Λίζα κατασκευασμένη από πλάκες origami DNA, η κύρια χρήση αυτού του συστήματος έγκειται σε μια απλή ψηφιακή έξοδο για μοριακές αντιδράσεις.
Είχαμε κωδικοποιήσει νωρίτερα τις λέξεις "Hello, world," χρησιμοποιώντας αυτό το σύστημα, το είχαμε διαγράψει χρησιμοποιώντας μετατόπιση κλώνου με τη διαμεσολάβηση των toehold (όπου ο κλώνος εισόδου αφαιρείται χρησιμοποιώντας έναν πλήρως συμπληρωματικό κλώνο DNA) και ξαναγράψαμε "Good bye" στο ίδιο σύστημα. Μια βιβλιοθήκη τέτοιων νανοδιακοπτών με ξεχωριστά ζεύγη κλώνων διευθύνσεων μπορεί να είναι το μέλλον των βιοαισθητήρων και των γραμμωτών κωδίκων DNA.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Reconfigurable DNA nanoswitches for graphical readout of molecular signals, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό ChemBioChem. Η αρχική έρευνα που περιγράφεται σε αυτό το άρθρο πραγματοποιήθηκε από τον Arun Richard Chandrasekaran από την Confer Health, Inc.
