18 maart 2006
Paul Rothemund, verbonden aan het California Institute of Technology in Pasadena, is er op betrekkelijk eenvoudige wijze in geslaagd een smiley temaken op nano-schaal. De afbeelding van de smiley is duizend keer kleiner dan een menselijke haar. Het feit dat Rothemund dit op ‘eenvoudige’ wijze heeft weten te realiseren, en dat hij in een demonstratie ook liet zien hoe vrij snel andere vormen waren te creren, opent allerlei mogelijkheden voor wetenschappers die zich bezighouden met quantumcomputers en andere apparatuur op basis van nanotechnologie. Dit is een wetenschap die zich bezighoudt met het manipuleren van moleculen op atomair niveau. Tot nu toe kon dat alleen maar met behulp van peperdure technische apparatuur. Bij deze technologie werden in een langzaam proces in principe atomen een voor een op elkaar gestapeld in een sterk gecontroleerde vacumomgeving en bij zeer lage temperaturen. Rothemunds techniek maakt het mogelijk die technologie links te laten liggen en op basis van het vouwen van DNA-strengen vormen te creren en dus ook andere handelingen mogelijk te maken. De gemaakte vorm wordt vervolgens verstevigd door er plm. 200 kortere DNA-strengen aan toe te voegen, en die op hun beurt als ‘pixels’ functioneren.
Met behulp van de DNA-strengen kunnen vormen worden gecreerd die complexe patronen kunnen weergeven. Rothemund slaagde er in korte tijd in om een vijfpuntige ster, een sneeuwvlok, een dubbele spiraal en een kaart van Amerika (op schaal 1 nm=120 km) te maken. In principe kunnen via Rothemunds techniek vijftig biljoen Smileys gemaakt worden in redelijk korte termijn. ‘The construction of custom DNA origami is so simple that the method should make it much easier for scientists from diverse fields to create and study complex nanostructures they might want’, zo liet hij in een verklaring weten. Vooralsnog bleef het in de demonstratie beperkt tot tweedimensionale afbeeldingen, maar Rothemund stelde dat met wat meer experimenteren het mogelijk moet zijn om driedimensionele afbeeldingen te formeren. De ontdekking van Rothemund zal het in de toekomst veel eenvoudiger maken om computers te bouwen op basis van het DNA. ‘A biologist might use DNA origami to take proteins which normally occur separately in nature and organize them into a multi-enzyme factory that hands a chemical product from one enzyme machine to the next in the manner of an assembly line’, zo zei Rothemund. Hij heeft zijn techniek in Nature beschreven. ‘Even by the time I was making smiley faces, I didn’t really believe that the method worked as well as it did’, zo zegt Rothemund. ‘Instead of custom-designing small snippets of DNA so that they fit together in a certain way, we borrow a single, long strand of DNA from a harmless virus. We take that very long strand of DNA — it’s about 7,000 letters long — and we add to it about 200 short DNA strands that I call staples. The staples bring two distant parts of the DNA strand together so that it folds. We actually fold the DNA into any shape that we want’, zo gaat hij verder. ‘So in the case of the smiley faces that I made, I actually fold the DNA into a disk, but then leave two holes for the eyes and the mouth’. Rothemund heeft een computerprogramma ontwikkeld dat een vorm kan analyseren, het vouwpartoon bepaalt en aangeeft welke ‘DNA staples’ nodig zijn om de vorm te maken. ‘It’s really easy and fun, actually, to make whatever you want at the nano-scale. You design it in the computer, you order the DNA sequences, they come in the mail, you add a little bit of salt water, you heat it up and cool it down, and then an hour and a half later, it’s ready to look at under the microscope’. Een DNA-computer is een biologische computer die het mogelijk maakt om bijvoorbeeld verschillende vormen van kanker te diagnosticeren en te behandelen. De electrische signalen van een gewone computer worden hier vervangen door een biologisch systeem waarbij veranderingen in de omgeving worden gedetecteerd. Als reactie daarop worden vervolgens een aantal moleculeverbindingen vrijgegeven, die de detectie uitvoeren naar de aard van de verandering. ‘The process includes choosing a shape, using long DNA strands folded to form a scaffold of it, stapling it together with computer-generated short DNA strands and refining it on a computer. The results that emerge are stunning’, zo zei Lloyd Smith van de University of Wisconsin in Madison, in een commentaar op het artikel in Nature. William Shih van de Biomolecular Nanotechnology Group van Harvard Medical School in Boston zegt dat het de meest flexibele methode is voor het bouwen van nanostructuren. Shih experimenteert met de techniek als een middel om driedimensionale moleculaire kooien te maken, bestemd voor het maken van moleculaire moters.
