Bentuk DNA Ternyata Bisa Dilakukan Siapa Saja - XVU Science | Para peneliti di MIT dan Arizona State University telah merancang program komputer yang memungkinkan pengguna untuk menerjemahkan gambar bentuk bebas apa pun ke dalam struktur nano berskala dua dimensi yang terbuat dari DNA.
Sampai sekarang, merancang struktur semacam itu membutuhkan keahlian teknis yang menempatkan proses di luar jangkauan kebanyakan orang. Dengan menggunakan program baru, siapa pun dapat membuat struktur nano DNA dalam bentuk apa pun, untuk aplikasi dalam biologi sel, fotonik, dan penginderaan kuantum dan komputasi, di antara banyak lainnya.
"Apa yang dilakukan oleh pekerjaan ini adalah memungkinkan siapa saja untuk menggambar bentuk 2-D apa pun secara harfiah dan mengubahnya menjadi origami DNA secara otomatis," kata Mark Bathe, seorang profesor teknik biologi di MIT dan penulis senior studi ini.
Para peneliti mempublikasikan temuan mereka dalam Science Advances edisi 4 Januari, dan program yang disebut PERDIX, tersedia online. Penulis utama makalah ini adalah Hyungmin Jun, seorang postdoc MIT, dan Fei Zhang, asisten profesor penelitian di Arizona State University. Penulis lain adalah rekan peneliti MIT, Tyson Shepherd, penerima baru-baru ini dari MIT PhD, Sakul Ratanalert, asisten peneliti ASU, Xiaodong Qi, dan profesor ASU, Hao Yan.
Desain otomatis
Origami DNA, ilmu pelipatan DNA menjadi struktur-struktur kecil, berasal pada awal 1980-an, ketika Ned Seeman dari New York University mengusulkan mengambil keuntungan dari kemampuan berpasangan basa DNA untuk menciptakan pengaturan molekul yang sewenang-wenang. Pada tahun 2006, Paul Rothemund dari Caltech menciptakan struktur DNA dua dimensi perancah pertama, dengan menenun untai panjang tunggal DNA (perancah) melalui bentuk sedemikian rupa sehingga untaian DNA yang dikenal sebagai "staples" akan berhibridisasi untuk membantu keseluruhan struktur mempertahankan bentuknya.
Yang lain kemudian menggunakan pendekatan serupa untuk membuat struktur DNA tiga dimensi yang kompleks. Namun, semua upaya ini membutuhkan desain manual yang rumit untuk mengarahkan perancah melalui seluruh struktur dan untuk menghasilkan urutan untaian staples. Pada tahun 2016, Bathe dan rekan-rekannya mengembangkan cara untuk mengotomatiskan proses menghasilkan struktur DNA polihedral 3-D, dan dalam penelitian baru ini, mereka berangkat untuk mengotomatisasi desain struktur DNA 2-D sewenang-wenang.
Untuk mencapai itu, mereka mengembangkan pendekatan matematika baru untuk proses routing perancah single-stranded melalui seluruh struktur untuk membentuk bentuk yang benar. Program komputer yang dihasilkan dapat mengambil gambar bentuk bebas apa pun dan menerjemahkannya ke dalam urutan DNA untuk membuat bentuk itu dan ke dalam urutan untuk untaian kawat jepit.
Bentuknya dapat dibuat sketsa dalam program menggambar komputer apa pun dan kemudian dikonversi menjadi file desain berbantuan komputer (CAD), yang dimasukkan ke dalam program desain DNA. "Setelah Anda memiliki file itu, semuanya otomatis, seperti mencetak, tetapi di sini tinta adalah DNA," kata Bathe.
Setelah urutan dibuat, pengguna dapat memesannya untuk dengan mudah membuat bentuk yang ditentukan. Dalam tulisan ini, para peneliti membuat bentuk di mana semua ujung terdiri dari dua dupleks DNA, tetapi mereka juga memiliki program kerja yang dapat memanfaatkan enam dupleks per tepi, yang lebih kaku. Alat perangkat lunak yang sesuai untuk polyhedra 3-D, yang disebut TALOS, tersedia online dan akan segera diterbitkan dalam jurnal ACS Nano. Bentuknya, yang berkisar dari 10 hingga 100 nanometer, dapat tetap stabil selama berminggu-minggu atau berbulan-bulan, tersuspensi dalam larutan buffer.
"Fakta bahwa kita dapat mendesain dan membuat ini dengan cara yang sangat sederhana membantu untuk menyelesaikan hambatan utama di bidang kita," kata Bathe. "Sekarang bidang ini dapat bertransisi ke arah kelompok orang yang lebih luas dalam industri dan akademisi untuk dapat memfungsikan struktur DNA dan menyebarkannya untuk beragam aplikasi."
Pola skala nano
Karena para peneliti memiliki kontrol yang tepat atas struktur partikel DNA sintetis, mereka dapat menempel berbagai molekul lain di lokasi tertentu. Ini bisa berguna untuk templating antigen dalam pola skala nano untuk menjelaskan bagaimana sel-sel kekebalan mengenali dan diaktifkan oleh pengaturan spesifik antigen yang ditemukan pada virus dan bakteri.
"Bagaimana pola nano antigen dikenali oleh sel-sel imun adalah area imunologi yang sangat kurang dipahami," kata Bathe. "Melampirkan antigen ke permukaan DNA terstruktur untuk menampilkannya dalam pola yang teratur adalah cara yang ampuh untuk menyelidiki biologi itu."
Aplikasi utama lainnya adalah merancang sirkuit pemanenan cahaya yang meniru kompleks fotosintesis yang ditemukan pada tanaman. Untuk mencapai itu, para peneliti menempelkan pewarna peka cahaya yang dikenal sebagai kromofor ke perancah DNA. Selain memanen cahaya, sirkuit seperti itu juga dapat digunakan untuk melakukan sensing kuantum dan perhitungan yang belum sempurna. Jika berhasil, ini akan menjadi sirkuit komputasi kuantum pertama yang dapat beroperasi pada suhu kamar, kata Bathe.