Duke Üniversitesi ve Arizona Eyalet Üniversitesi’ndeki araştırma laboratuvarlarından çıkan minik nano ölçekli yapılara hayret ettiğinizde, dünyanın en küçük çanak çömleklerinin yer aldığı bir kataloğa göz attığınızı hayal etmek çok kolay. Yeni bir makale, ekiplerin eserlerinden bazılarını ortaya koyuyor: Rus oyuncak bebekleri için ev eşyaları gibi, biri diğerinin içine gizlenmiş minicik vazolar, kaseler ve içi boş küreler. Ancak araştırmacılar bu nesneleri ahşap ya da kilden yapmak yerine, ipliksi DNA moleküllerinden tasarladılar ve nanometre hassasiyetinde büküp katlayarak karmaşık üç boyutlu nesneler haline getirdiler.
Bu oluşturmalar, Duke Üniversitesi doktora öğrencisi Dan Fu’nun danışmanı John Reif ile birlikte geliştirdiği yeni bir açık kaynak yazılım programının olanaklarını ortaya koyuyor. 23 Aralık’ta Science Advances dergisinde açıklanan yazılım, kullanıcıların yuvarlak şekillerin çizimlerini veya dijital modellerini alıp bunları DNA’dan yapılmış 3D yapılara dönüştürmelerini sağlıyor.
DNA nano yapıları, profesör Hao Yan’ın Arizona State’teki laboratuvarında ortak yazarlar Raghu Pradeep Narayanan ve Abhay Prasad tarafından bir araya getirildi ve görüntülendi. Her bir küçük içi boş nesne bir inçin iki milyonda birinden daha geniş değildir. Bunlardan 50.000’den fazlası bir toplu iğnenin başına sığabilir. Ancak araştırmacılar bunların sadece nano-heykellerden daha fazlası olduğunu söylüyor. Yazılım, araştırmacıların ilaç dağıtmak için küçük kaplar ya da güneş pilleri, tıbbi görüntüleme ve diğer uygulamalar için belirli şekillere sahip metal nanoparçacıklar dökmek için kalıplar oluşturmasına olanak sağlayabilir.
Çoğu insan için DNA yaşamın planıdır; penguenlerden kavak ağaçlarına kadar tüm canlıların genetik talimatlarıdır. Ancak Reif ve Yan’ınki gibi ekipler için DNA, genetik bilgi taşıyıcısından daha fazlasıdır. Kaynak kodu ve yapı malzemesidir. DNA’nın genetik kodunda, DNA merdiveninin basamaklarını oluşturmak için hücrelerimizde öngörülebilir bir şekilde eşleşen dört “harf” veya baz vardır. Araştırmacılar DNA’nın bu katı baz eşleştirme özelliklerini (A ile T ve C ile G) birlikte kullandılar. Belirli dizilimlere sahip DNA iplikçikleri tasarlayarak, iplikçikleri kendilerini farklı şekillerde bir araya getirecek şekilde “programlayabiliyorlar”.
Yöntem, binlerce baz uzunluğundaki tek sarmallı DNA’nın bir veya birkaç uzun parçasının, uzun sarmallar üzerindeki tamamlayıcı dizilere bağlanan ve onları yerine “zımbalayan” birkaç yüz kısa DNA sarmalının yardımıyla katlanmasını içerir. Araştırmacılar 1980’lerden beri DNA’yı bir yapı malzemesi olarak deniyorlar. İlk 3D şekiller basit küpler, piramitler, futbol toplarıydı. Kaba ve bloklu yüzeylere sahip geometrik şekiller. Ancak doğada bulunanlara daha çok benzeyen kavisli yüzeylere sahip yapılar tasarlamak zor olmuştur. Ekibin amacı, bu yöntemle mümkün olan şekil yelpazesini genişletmek.
Fu bunu yapmak için DNAxiS adlı bir yazılım geliştirdi. Yazılım, Arizona State’teki fakülteye katılmadan 20 yıl önce Duke’te Reif ile post-doc olan Yan tarafından 2011 yılında tanımlanan DNA ile inşa etme yöntemine dayanıyor. Uzun bir DNA çift sarmalını, tıpkı bir çömlek yapmak için kil bobinleri kullanmak gibi, nesnenin dış hatlarını oluşturmak için birbiri üzerine yığılan eşmerkezli halkalar halinde sararak çalışır. Yapıları daha güçlü hale getirmek için ekip, daha fazla stabilite için ek katmanlarla takviye etmeyi de mümkün kıldı.
Fu, yapabildikleri çeşitli formları gösteriyor: koniler, su kabakları, yonca yaprağı şekilleri. DNAxiS, daha uzun DNA halkalarını bir araya getirmek ve şekli yerinde tutmak için kısa DNA “zımbalarının” nereye yerleştirileceğini belirlemek için algoritmalar kullanarak kullanıcıların bu tür şekilleri otomatik olarak tasarlamasına olanak tanıyan ilk yazılım aracıdır.
Örneğin bir mantar şekli modeli verildiğinde, bilgisayar doğru konfigürasyonda kendiliğinden bir araya gelecek DNA iplikçiklerinin bir listesini çıkarıyor. İplikler sentezlenip bir test tüpünde karıştırıldıktan sonra gerisi kendiliğinden halloluyor: Reif, DNA karışımının ısıtılıp soğutulmasıyla 12 saat gibi kısa bir süre içinde “sihirli bir şekilde DNA nano yapısına dönüştüğünü” söyledi. Araştırmacılar, DNA tasarım yazılımlarının laboratuvarda veya klinikte pratik uygulamalarının hala yıllar alabileceğini söyledi. Ancak Reif, “bu, yeni üç boyutlu yapıların otomatik tasarımı açısından ileriye doğru atılmış büyük bir adım” dedi.