Niet-levende materialen vermenigvuldigen zich in nieuw proces

afbeelding 1: Zelfvermenigvuldigingsproces met DNA-tegels
Bij lage temperatuur binden X' en Y' DNA-tegels uit de omringende oplossing zich spontaan aan de bijpassende X en Y tegels in de beginstructuur. Bij hoge temperatuur laat de zo gevormde dochter-kopie van de beginstructuur los, waarna het proces zich herhaalt.
afbeelding 2: Zelfvermenigvuldigende materialen van micro- of nanodeeltjes
Het nieuwe zelfvermenigvuldigingsproces kan de fabricage van materialen die opgebouwd zijn uit micro- en nanometer grote bouwstenen veel efficiënter maken, omdat een enkele beginstructuur zich telkens verdubbelt en het totale aantal structuren exponentieel toeneemt.

In de natuur vindt zelfvermenigvuldiging overal plaats: minuscule bouwstenen in levende wezens vermenigvuldigen zich spontaan en organiseren zich tot ingewikkelder structuren. Kunstmatige zelfvermenigvuldiging van niet-levende materialen daarentegen is uitermate lastig. Tot nu toe was dit alleen mogelijk voor zeer specifieke structuren. De onderzoekers, waaronder AMOLF-groepsleider Mirjam Leunissen, hebben nu de eerste stap gezet naar een algemeen proces, waarmee een grote diversiteit aan structuren met verschillende vormen en functies, zichzelf kunnen vermenigvuldigen.

DNA-tegels
De onderzoekers gebruikten kunstmatige structuren van DNA – zogeheten DNA-tegels – opgelost in water om het nieuwe proces te demonstreren. Deze tegels zijn enkele tientallen nanometers groot en bestaan uit compact opgevouwen DNA-strengen, waar vier losse eindjes met een specifieke volgorde van de basen A, C, G en T uitsteken. Deze kleverige eindjes bepalen als een soort streepjescode de identiteit van de tegel en zorgen ervoor dat de tegel een andere tegel met bijpassende eindjes kan vastgrijpen; A klikt namelijk altijd aan T, en C aan G, waarbij de eindjes van de twee tegels samen de karakteristieke tweestrengs wenteltrapstructuur vormen.

Plakken
De onderzoekers regen zeven tegels met twee verschillende identiteiten (bijvoorbeeld aangegeven met de letters X en Y) aan elkaar tot het ‘woord’ X-Y-Y-X-Y-X-Y. Vervolgens bonden de tegels met bijpassende kleverige eindjes, X’ en Y’, zich spontaan in de juiste volgorde aan deze beginstructuur (X’-Y’-Y’-X’-Y’-X’-Y’). De kleverige eindjes plakken alleen bij lage temperatuur, dus werd het ‘dochterwoord’ van de beginstructuur gescheiden door de temperatuur kort te verhogen. Hierna herhaalden de onderzoekers het proces met de overgebleven losse tegels, zodat zich ‘kleindochters’ vormden, nog steeds met dezelfde XY-lettervolgorde.

Efficiënte fabricage
Dit nieuwe vermenigvuldigingsproces is een belangrijke stap voorwaarts, omdat het complexe structuren en de informatie die erin besloten ligt exact kopieert.
Ondanks het gebruik van DNA is het nieuwe proces niet hetzelfde als het kopiëren van DNA in de cel, omdat er geen speciale biologische machinerie, zoals enzymen, aan te pas komt. In feite is zelfs het DNA synthetisch, waardoor het een zeer robuust proces is. En het allermooiste is dat de kleverige DNA-eindjes niet alleen aan DNA-tegels, maar ook aan deeltjes van allerlei andere materialen gezet kunnen worden, zoals bijvoorbeeld metalen nanodeeltjes. Dit zou de fabricage van nieuwe materialen die opgebouwd zijn uit zulke bouwstenen veel efficiënter kunnen maken. Dan volstaat het maken van één beginstructuur, die zich daarna in elke cyclus verdubbelt waardoor het totale aantal exponentieel toeneemt.
Het onderzoek werd gefinancierd door de Stichting FOM, de W.M. Keck Foundation, de National Science Foundation, het National institute of General Medical Sciences, het Army Reseach Office, NASA, het Office of Naval Research en de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).