Ana sayfa 87. Sayı Minyatür mimari yapılar yolda DNA nanoyapıları

Minyatür mimari yapılar yolda DNA nanoyapıları

Bilim Gündemi

131
PAYLAŞ

Çeviren: Tuğçe Önür

DNA origami olarak bilinen devrim niteliğindeki  teknik sayesinde, bazıları virüslerden bile küçük olan minyatür mimari yapılar inşa edilebilmiştir. Hao Yan ve Yan Liu, Arizona State Üniversitesi Biodesign Enstitüsü’ndeki meslektaşları ile birlikte; doğada var olan 2 ve 3 boyutlu şekillerin benzerlerinin rastgele inşa edilmesi tekniğini geliştirdiler.

Bu küçücük formlar, son derece küçük bilgisayar bileşenleri ve nanomedikal  nöbetçiler gibi cihazlar içerisinde kendi yollarını bulabilirler ve anormal hücreleri hedefleyerek yok edebilir ya da hücresel  hatta moleküler düzeyde tedavi sunmak için kullanılabilirler.

Science dergisinin 15 Nisan sayısında Yan ve grubu, DNA’nın mimari yönden potansiyelinden faydalanma amacı güden bir yaklaşım öne sürdü.

Yeni metot sayesinde karmaşık eğimlerde nano yapıların inşası yönünde önemli bir adım atılmış oluyor (geleneksel DNA origami yöntemlerini aşmış bir başarı). Yan: “Biz doğanın karmaşık şekillerini yeniden üretebilmek için strateji geliştirmekle ilgileniyoruz” dedi.

DNA origami tekniği 2006 yılında Caltech Üniversitesi’nden bilgisayar bilimci Paul W. K. Rothemund tarafından ileri sürüldü. Bu metot DNA’daki dört tamamlayıcı bazın çift sarmal iplikçikler halinde doğal olarak birleşme (bağlanma) özelliklerine dayanır. A, T, C ve G etiketli bu nükleotitler basit bir formüle göre aralarında etkileşerek birbirine bağlanır (A her zaman T ile, C de G ile eşleşir).

Yan gibi nano tasarımcılar çok yönlü bir yapı malzemesi olan DNA molekülünü doğadan ödünç alıp yeni amaçlara uyarlamak umuduyla işlerler.

Geleneksel DNA origamide önce iki boyutlu şekil kavramsallaştırılır ve çizilir. Bu çok köşeli anahat paralel olarak düzenlenmiş çift zincirli kısa DNA segmentleri ile doldurulur. Bu segmentler piksele (bilgisayar ekranında kelime ve görüntü oluşturmak için kullanılan dijital elementler) benzetilebilir.

Nitekim, Rothemund ve diğerleri piksel benzeri DNA segmentleri kullanarak 2 boyutlu zarif şekilleri (yıldızlar,  romboid,  kar tanesi şekilleri, gülen yüzler, basit kelimeler ve hatta haritalar) ve bunların yanı sıra bazı ilkel üç boyutlu yapıları oluşturmayı başarmışlardı. Bunların her biri nükleotit bazlarının birbiriyle kendiliğinden eşleşmesi kuralına dayanır.

Elde etmek istenilen şekil tek iplikçikli DNA ile çevrelendikten sonra, kısa DNA parçaları istenilen şekli bir arada tutmak için yapıştırıcı olarak görev yapar ve yapıyı bir arada tutar. İskeleyi oluşturan DNA dizisi her DNA heliksinin içinden geçecek şekilde oluşturulur. Bu şerit ipliklerden örgü yapılmasına benzetilebilir. Takviye olarak, daha fazla baz eşlemesi ek DNA dizileriyle sağlanmaktadır. Ek diziler, bitmiş yapının istenilen bölgesine önceden tasarlanarak takılabilir.

Yan, “Eğri nesneler yapmak, dikdörtgen pikseller kullanılarak elde edilecek eğimden daha fazlasını gerektirir. Bu alanda çalışanlar bu problemle ilgileniyorlar. Örneğin, yakın bir zamanda Harvard Tıp Fakültesi’nden William Shih grubu, 3 boyutlu yapı içinde istenilen segmentlerde eğim oluşturabilmek için baz çiftlerini silme ve ekleme yolunu kullandılar. Bununla birlikte, 3 boyutlu yüzey üzerindeki eğrilikler mühendislerin gözünü korkutucu bir görev olarak kalacak” diyerek durumu ifade etti.

Liu: “Bizim amacımız, araştırmacıların yüzey eğimini kontrol edebildikleri rastgele 3 boyutlu şekilleri oluşturmalarını sağlayacakları inşa prensiplerini geliştirmek. Sert örgü modelinden farklı olarak bizim çok yönlü tasarım stratejimiz hedeflenen objenin iskele yapısı ile birlikte istenilen özelliklerini tanımlamakla başlar. Daha sonra, DNA yapısının manipülasyonu ve ağ aktarma noktalarını şekillendirmekle devam eder.” dedi.

Bu amacı gerçekleştirmek için Yan’ın lisansüstü öğrencilerinden Dongran Han, 2 boyutlu iç içe geçmiş eş merkezli basit yapılı halkalar yapmakla işe başladı. Her halka bir DNA sarmalından oluşuyor. Bu eş merkezli halkalar stratejik olarak yerleştirilmiş aktarım noktaları ile birbirine bağlandı. Bu bölgeler, çift sarmalın ipliklerinden birinin komşu halkayı harekete geçirdiği bölgelerdir ve eş merkezli halkalar arasında köprü işlevindedir. Bu kesişme noktaları eş merkezli halka yapısını korumaya ve de DNA’nın uzamasını engellemeye yardımcıdır.

Kesişme noktaları arasındaki değişen nükleotid sayıları ve kesişme noktalarının farklı yerleştirilmesiyle; tasarımcılara keskin ve yuvarlak unsurları basit iki boyutlu yapı halinde bir araya getirme şansı verir (şekil 1a & b’de kendiliğinden oluşmuş yapıların atomik kuvvet mikroskopu ile elde edilen görüntüleri verilmektedir.). Açılmış 9 kat halka ve üç köşeli yıldız gibi 2 boyutlu çeşitli tasarımlar üretilmiştir.

Kesişme noktalarının oluşturduğu ağ yapı, kavisli 3 boyutlu nano yapıların tasarımına imkan sağlayan düzlem içi ve düzlem dışı eğrilik kombinasyonları üretecek şekilde tasarlanabilir. Bu metot hatırı sayılır çok yönlülük gösterirken, eğrilik derecesi hâlâ DNA B yapısı (tercih edilen yapıdan büyük ölçüdeki sapmaları tolere edemeyen DNA yapısı -10.5 baz çiftleri/dönüşü-) ile sınırlıdır. Ancak, araştırma ekibinden Jeanette Nangreave “Hao ipliklerin az miktarda az ya da fazla bükülmesi ile farklı eğilme açılarının üretildiğini gösterdi” açıklamasını yapmış.

Eş merkezli sarmal metodu ile B yapısında olmayan DNA’ların (9-12 baz çifti/dönüşü) birleştirilmesi; küre, yarım küre, elipsoid kabuklar gibi karmaşık yapıları üretmeyi mümkün kılar. Bunlardan biri olan yuvarlak tabanlı nanotüp yapının geçirmeli elektron mikroskopu ile çekilmiş görüntüleri şekil 1c-f’de görülmektedir.

a ve b 2 boyutlu nanoyapıların AFM görüntüleri ile ekran şemaları. c,d ve e sırasıyla 3 boyutlu yarım küre, küre ve elipsoid tabakaları temsil ederken f bir nanoflask gösterir. (Yapıların hepsi TEM ile görüntülenmiştir.)(Alıntı: Image courtesy of Arizona State University)

Yan bu yeni teknik sayesinde mümkün nanoyapıların yelpazesinin genişlemesini umut ediyor. Sonuç olarak, daha büyük daha ayrıntılı yapıları sağlamak için daha uzun boylu tek iplikli DNA gerekecektir. Başarılı bir üç boyutlu kapalı yapı, teknolojiye ve de belirli bir biyomedikal alana farklı bir kapı açabilir. Örneğin, nano kürecikler canlı bir hücre içine verilerek endonükleaz veya diğer sindirim bileşenlerinin etkisi altında taşıdıkları içerikleri hücre içine taşıyabilirler.

 

Kaynakhttp://www.sciencedaily.com/releases/2011/04/110414141352.htm