Nye mikroskoper sikrer ingeniørkunst i nanostørrelse

Fremover får forskere ved Aarhus Universitet bedre muligheder i arbejdet med at udvikle og skabe avancerede nanostrukturer. Indkøbet af markedets mest avancerede elektronmikroskoper til iNANO skaber grundlag for en hurtigere udvikling af den molekylære nanoteknologi, der er en slags ingeniørkunst i nanoskala. Målet er at skabe komplekse selvsamlende nanoenheder, der for eksempel kan samle molekylær elektronik, levere medicin direkte til cellerne eller fungere som sensorer, der kan opspore vira.

09.01.2015 | Anne-Mette Siem, Kurt Gothelf & Ebbe Sloth Andersen

Professor Bo Brummersted Iversen, der har været drivkraft i financieringen af mikroskoperne, holder tale ved indvielsen af dem.

Figur 1. OBS: klik for at se hele figuren. DNA-origami-strukturer. (A) Rothemunds design og karakterisering af DNA origami smiley I størrelsen 100x100 nm. (B) En firkantet DNA-origamikort med en størrelse på 70x100 nm fra samme artikel. (C) Delfin fra Aarhus Universitets segl lavet med DNA-origami. (D) DNA-origami kasse hvor siderne er ca 30 nm lange. Til højre vises en model, der er baseret på cryo-elektronmikroskopiske billeder.

Indkøbet af de nye elektronmikroskoper til Interdisciplinary Nanoscience Center (iNANO) ved Aarhus Universitet markerer en større udbygning af forskningsfaciliteterne indenfor nanoteknologi. Nanoteknologiens opblomstring som et nyt interdisciplinært område omkring årtusindskiftet skyldes blandt andet, at der har været et sammenfald af interesse for nanoskalaen indenfor kemi, fysik og molekylærbiologi, men i høj grad også, at man har fået mulighed for at ”se” nanostrukturer gennem nye og forbedrede analytiske teknikker. De nye elektronmikroskoper bruger TEM-teknologien, der giver ekstraordinært gode muligheder for at karakterisere både hårde og bløde nanostukturer.

 

Indenfor molekylær nanoteknologi har forskerne fra iNANO stor ekspertise med udviklingen af DNA-nanostrukturer. Der udvikles DNA- og RNA-strukturer til at bygge stilladser, som kan samle molekylær elektronik, eller aktivere bestemte enzymer – noget der kan være med til at skabe bedre sygdomsbehandling. Man kan også skabe sensorer, der kan detektere virus og bakterier, og skabe avanceret nanomedicin, der kan navigere til bestemte celler og først frigive medicinen til det sted, den er designet til. Nu får forskerne adgang til langt hurtigere og mere fleksible mikroskoper, der skaber 3-D-modeller af deres projekter. Det gør forskningsprocessen hurtigere og smidigere – til gavn for udviklingen af  forskellige typer af avancerede nanostrukturer.

 

Begyndelsen for DNA-nanoteknologi.

Tilbage i 1982 foreslog den amerikanske forsker Ned Seeman, at man kunne bruge DNA til at lave nanostrukturer. I modsætning til alle andre teknikker ville strukturerne samle sig selv, blot man blandede de rigtige DNA-strenge. DNA kan programmeres med baserne A, C, T og G til kun at samle sig der, hvor baserne passer sammen i par af A-T og G-C. På daværende tidspunkt lå interessen i DNA indenfor de biologiske og medicinske aspekter. Seeman foreslog, at man kunne bruge de 3- og 4- vejs krydsstrukturer, som man også kender fra naturen, til at danne selvsamlende, komplekse strukturer i 2 og 3 dimensioner. Visionen var, at man ville kunne designe velordnede strukturer, der integrerede funktionelle molekyler som f.eks. proteiner - ligesom naturen gør det.

Der var dog ingen der tog det særligt alvorligt i firserne, og i lang tid var Seeman den eneste der forsøgte at danne sådanne strukturer. Gennem halvfemserne lykkedes det at lave gitternet-strukturer af DNA i form af en terning og en oktahedron. Den altafgørende udfordring var imidlertid at bevise at nanostrukturerne var fremstillet, da man i halvfemserne ikke endnu havde metoder til at ”se” strukturerne. Så alle beviser var indirekte.

 

Visualisering af 2-dimensionelle strukturer.

Et af de helt store gennembrud for DNA-nanoteknologien var, da Winfree og Seeman begyndte at lave 2-dimensionelle strukturer, der kunne danne regelmæssige gitterstrukturer og immobiliseres på en helt flad overflade. Den relativt nye atomar kraft mikroskopi-teknik (AFM: Atomic force micropscopy) havde nemlig på dette tidspunkt opnået en opløsning , der muliggjorde billeddannelse af disse strukturer. Det blev begyndelse på opblomstringen af DNA-nanoteknologien, hvor en række andre grupper begyndte at lave forskning indenfor feltet og en lang række komplekse gitterstrukturer, der også integrerede proteiner og nanopartikler, blev fremstillet.

 

DNA origami

Problemet ved gitterstrukturerne var imidlertid, at de bestod af relativt små enheder af typisk under 20 DNA-sekvenser, som samlede sig i krystallignende repeterede strukturer i 2D. Det andet store gennembrud for DNA-nanoteknologien skete i 2006, hvor Paul Rothemund fra Caltech viste, at man kunne samle strukturer på mere end 14000 DNA-baser ved at bruge en lang gennemgående DNA-streng fra en virus og 200 korte syntetisk fremstillede DNA-sekvenser. Herved var det muligt at samle 2-dimensionelle tæt vævede strukturer af over 0.5 mio atomer, som var unikke i enhver position (Figure 1A og B). Siden etableringen i 2007 har Danmarks Grundforskningsfonds Center for DNA nanoteknologi  (CDNA) ved Aarhus Universitet bidraget til området, og publiceret bla. dannelse af en delfinlignende struktur i en artikel, der også beskrev det første designsoftware til DNA-origami (Figure 1C). 

Origami i 3 dimensioner

Snart efter opfindelsen af DNA-origami begyndte flere forskningsgrupper at spekulere i at folde DNA-origami i 3 dimensioner. Her bidrog CDNA med en af de absolut første strukturer, en kasse med et låg, der kunne åbnes (Figure 1D). Udfordringen ved at lave 3D-strukturer var imidlertid karakteriseringen af dem.

AFM egner sig dårligt at karakterisere 3D-strukturer, da de er bløde og deformerer under AFM-nålen. I dette første arbejde fra CDNA blev kassen karakteriseret gennem et samarbejde med en gruppe i Tyskland der kunne lave cryo-elektromikroskopi af kassen, hvilket gav meget imponerende 3D karakterisering af kassen, men metoden er omstændelig og kræver lang tid.

 

Karakterisering af 3D origamistrukturer med transmissions elektron mikroskopi (TEM)

William Shih’s gruppe ved Harvard udviklede i 2009 en metode til at danne kompakte 3D-origamistrukturer i adskillige forskellige former og har benyttet TEM som standard karakteriseringsmetode af disse strukturer, der her dimensioner på 1-100 nm. Det er den metode, som forskerne ved iNANO nu har fået det mest moderne udstyr indenfor. De nye mikroskoper bliver brugt til at karakterisere og modellere nanostrukturer i 3-D . Mikroskoperne er hurtige - hvor modelleringen før har kunnet tage en uge, kan forskerne ved hjælp af et fuldautomatiseret system få modeller i løbet af en dag eller nat. Det giver langt mere smidighed i udviklingen af nanostukturerne, hvor arbejdet i høj grad handler om at designe, karakterisere, modellere og redesigne, indtil man når frem til en struktur med de ønskede egenskaber. 

Betydning for neurovidenskab

Indkøbet af de nye elektronmikroskoper har også stor betydning for The Danish Research Institute of Translational Neuroscience (DANDRITE), da mikroskoperne giver en unik mulighed for at undersøge store proteiner i hjernecellers membraner; Noget der har stor betydning for kommunikation mellem celler i hjernen og nervesystemet generelt.

TEM-elektronmikroskoperne er indkøbt på en bevilling fra Villum Fonden

Mere information:

Om mikroskoperne:

Professor Bo Brummersted

Tlf: 8715 5982 /mobil: 2778 2887

Mail:bo@chem.au.dk

 

Om forskningen:

Professor Kurt Gothelf, iNANO og Institut for Kemi, Aarhus Universitet.

Tlf: 8715 6752 / mobil: 6020 2725

Mail: kvg@chem.au.dk

 

Adjunkt Ebbe S. Andersen; iNANO og Institut for Molekylærbiologi og Genetik, Aarhus Universitet.

Tlf: 8715 6746 / mobil: 4117 8619

Mail: esa@inano.au.dk

 

Om iNANO

Centerleder Jørgen Kjems, iNANO

Tlf: 8715 6764 /Mobil:2899 2086

Mail: jk@mbg.au.dk

 

Om DANDRITE

Direktør Poul Nissen, DANDRITE og Institut for Molekylærbiologi og Genetik, Aarhus Universitet
Tlf: 8715 5508 / mobil: 2899 2295
Mail: pn@mbg.au.dk

Læs mere om noget af den forskning som de nye TEM-elektronmikroskoper støtter:

Nanokasser med stort potentiale  

Selvfoldende nano-origami med én RNA streng

DNA er nanoteknologiens nye byggemateriale

 

 

 

Offentligheden / Pressen, Medarbejdere
89573 / i31