DNA dan RNA Beruntai Tunggal

Pendekatan nanoteknologi memungkinkan perancangan dan replikasi DNA dan RNA beruntai tunggal yang kompleks dengan potensi pengiriman obat dan nanofabrikasi.

Nanotechnologists menggunakan DNA, materi genetik yang ada dalam organisme hidup, serta RNA sepupu multifungsinya, sebagai bahan baku dalam upaya membangun perangkat miniscule yang berpotensi sebagai kendaraan pengantar obat, nanofaktori kecil untuk produksi obat-obatan dan bahan kimia, atau elemen teknologi listrik dan optik yang sangat sensitif.

Seperti DNA genetik (dan RNA) di alam, perangkat nanoteknologi yang direkayasa ini juga terdiri dari untai empat basis yang dikenal dalam bentuk singkatan sebagai A, C, T, dan G. Kawasan di dalam untaian tersebut dapat secara spontan melipat dan mengikat satu sama lain melalui rangkaian dasar komplementer singkat dimana As dari urutan satu secara khusus mengikat Ts dari urutan lain, dan Cs ke Gs.

Periset di Wyss Institute of Biological Inspired Engineering dan di tempat lain telah menggunakan fitur ini untuk merancang struktur nano perakitan sendiri seperti origami DNA perancah dan batu bata DNA dengan ukuran dan kompleksitas yang terus berkembang yang berguna untuk beragam aplikasi.

Namun, penerjemahan struktur ini ke dalam aplikasi medis dan industri masih penuh tantangan, sebagian karena sistem multi-untaian ini rentan terhadap kerusakan lokal yang diakibatkan salah satu stan yang hilang. Selain itu, mereka mengumpulkan diri dari ratusan hingga ribuan rangkaian DNA individu yang masing-masing perlu diverifikasi dan diuji untuk aplikasi presisi tinggi, serta mahalnya sintesis seringkali menghasilkan produk yang tidak diinginkan.

Sekarang, sebuah pendekatan baru yang diterbitkan oleh tim peneliti kolaboratif dari Wyss Institute, Arizona State University, dan Autodesk untuk pertama kalinya memungkinkan perancangan origami DNA dan origami RNA yang kompleks yang dapat secara otonom melipat menjadi beragam, stabil, serta memungkinkan produksi berbiaya rendah pada skala besar dan dengan kemurnian tinggi.

“Berbeda dengan origamis tradisional yang direproduksi, yang dikumpulkan dari ratusan komponen, pendekatan baru kami memungkinkan kami untuk secara andal merancang dan mensintesis origami berkapasitas tunggal dan terlipat tunggal yang stabil,” kata anggota Fakultas Inti Institut Wyss dan penulis,  Peng Yin, Ph .D.

 “Pendekatan fundamental kami yang baru bergantung pada single-strand folding, bukan perakitan multi komponen, untuk menghasilkan struktur nano yang besar. Bersamaan dengan kemampuan untuk mengkloning dan mengalikan banyak untai komponen tunggal pada bakteri, menyajikan kemajuan permainan yang berubah dalam nanoteknologi DNA yang sangat meningkatkan potensi origami satu-untai untuk aplikasi dunia nyata. “ ujar Yin, yang juga merupakan co-lead dari Inisiatif Robot Molekuler Wyss Institute dan Profesor Biologi Sistem di Harvard Medical School (HMS).

Untuk pertama-tama mengaktifkan produksi origami beruntai tunggal dan stabil berbasis DNA dengan pola lipat yang berbeda, tim harus mengatasi beberapa tantangan. Dalam untai DNA besar yang melewati proses lipat yang kompleks, banyak urutan perlu dipasangkan secara akurat dengan urutan yang jauh dari satu sama lain. Jika proses ini tidak terjadi secara tertib dan tepat, untaian itu terjerat dan membentuk simpul yang tidak spesifik sepanjang perjalanan, membuatnya tidak berguna.

 “Untuk menghindari masalah ini, kami mengidentifikasi peraturan perancangan baru yang dapat kami gunakan untuk menempelkan untaian DNA di antara wilayah beruntai ganda yang berbeda dan mengembangkan alat perancang otomatis berbasis web yang memungkinkan peneliti mengintegrasikan banyak peristiwa ini ke jalur lipat yang mengarah ke sebuah nanocomplex bebas simpul yang besar, “ kata Dongran Han, Ph.D., penulis pertama studi ini dan anggota Postdoctoral Fellow di tim Yin.

Struktur origami DNA terbesar yang diciptakan sebelumnya dirakit dengan mensintesis semua rangkaian penyusunnya secara individual secara in vitro dan dengan mencampurnya bersama-sama. Sebagai fitur utama dari proses perancangan yang baru, keterikatan DNA asal-usul tunggal memungkinkan para periset untuk mengenalkan sekuens DNA secara stabil ke bakteri E. coli untuk meniru dengan murah dan akurat dengan setiap pembelahan sel. “Ini bisa sangat memudahkan pengembangan origami beruntai tunggal untuk nanotech presisi tinggi seperti kendaraan pengantar obat, karena hanya satu molekul yang mudah diproduksi yang perlu divalidasi dan disetujui,” kata Han.

Akhirnya, tim juga mengadaptasi teknologi origami beruntai tunggal ke RNA, yang menawarkan keuntungan tertentu termasuk, misalnya, tingkat produksi yang lebih tinggi pada bakteri, dan kegunaan untuk aplikasi RNA intra seluler dan terapeutik potensial. Menerjemahkan pendekatan ke RNA juga meningkatkan ukuran dan kompleksitas struktur RNA sintetis 10 kali lipat dibandingkan dengan struktur sebelumnya yang dibuat dari RNA.

Analisis mereka juga membuktikan bahwa loop DNA yang menonjol dapat diposisikan secara tepat dan digunakan sebagai pegangan untuk pelekatan protein fungsional. Dalam perkembangan selanjutnya, origami beruntai tunggal dapat berpotensi difungsikan dengan melampirkan enzim, probe neon, partikel logam, atau obat-obatan baik ke permukaannya atau di dalam rongga di dalamnya. Ini bisa secara efektif mengubah origami beruntai tunggal menjadi nanofaktori, penginderaan cahaya dan perangkat optik pemancar, atau kendaraan pengantar obat.

“Kemajuan baru ini oleh Inisiatif Molekuler Robotisme Institut Wyss mengubah metodologi penelitian yang menarik menjadi teknologi transformatif yang dapat diproduksi dalam skala besar dengan memanfaatkan mesin biologis sel hidup. Karya ini membuka jalan yang mirip nanoteknologi dan origami DNA dapat diterjemahkan ke dalam produk yang memenuhi tantangan dunia nyata, “ kata Direktur Pendiri Institut Wyss Donald Ingber, MD, Ph.D., yang juga merupakan Profesor Biologi Vaskular Rakyat Yehuda di HMS dan Program Biologi Vaskular di Rumah Sakit Anak Boston, dan Profesor Bioengineering di Harvard John A. Paulson Sekolah Teknik dan Ilmu Terapan (SEAS).

Hasil yang diumumkan hari ini membuat nanoteknologi DNA sebagai pendekatan alternatif untuk aplikasi yang berpotensi menguntungkan kita semua secara keseluruhan, “ kata Jim Kurose, Asisten Direktur Direktorat Informasi Komputer dan Informasi National Science Foundation (NSF) Ilmu Pengetahuan dan Teknik (CISE). “Kami senang karya ini didukung oleh program Ekspedisi dalam Komputasi NSF, yang selama dekade terakhir mendanai tim peneliti besar untuk mengikuti agenda penelitian fundamental yang ambisius yang membantu menentukan dan membentuk masa depan sains dan teknik komputer dan informasi, dan berdampak pada daya saing nasional kita," ucapnya.

Sumber: wyss.harvard.edu