What are DNA origami?

Deutsche Version siehe unten 

Not only paper origami artists can create impressive structures by folding – but also nature. Using the molecular construction principle of the genome, two and three-dimensional structures can be created with a technology called DNA Origami.

Researchers have already developed and realized a wide variety of DNA nanostructures (Figure 1). Functional objects such as hinges, grippers, rotors and even a robot with movable arms are possible today – all made of DNA molecules.

But how are DNA origami structures created from a DNA strand?

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Figure 1: DNA origami diversity: A large number of different structures on the nanometer scale have already been realized with DNA Origami technology. Picture: Eurofins

 

In 2006, Paul Rothemund from the California Institute of Technology developed a technique that makes it possible to bend a long DNA strand into various shapes. He called this folding technique for DNA: DNA Origami. Just like paper origami, DNA origami enables the formation of two and three-dimensional structures. Instead of folding a sheet of paper, a long DNA strand is folded into the desired object using many small DNA strands.

The long scaffold strand is taken from bacteria. The sequence of this long single stranded DNA, the scaffold, is known. This makes it possible to design exact complementary, shorter DNA sequences “staples” that can bind to specific sites in the long DNA strand.

Scaffold and staple strands can assemble themselves in a single step (Figure 2). In this process, exactly opposite strands always find each other and connected. This results in very stable and nanometer-precise structures, for example objects such as octahedrons, boxes or hinges.

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Figure 2: Self-assembly of DNA origami structures. Short DNA strands recognize their precise counterparts on the long scaffold DNA and can thus deform them. Picture: Liedl Group LMU

 

DNA Origami therefore is a self-assembling method with which it is possible to form a wide variety of structures with nanometer precision.

Why do we want to bring DNA Origami structures to the International Space Station?

The next step will be to extend the material by the nanometer level and to build larger structures. One thinks here of crystal formation, where millions of DNA origami structures make up a large, very stable structure. But building macroscopic 3D DNA origami crystals is an unsolved task so far. Crystals are very regular structures with defined distances, this property can be exploited to produce nanoelectronic components for a DNA computer, for example.

The elucidation of the atomic structure of a biomolecule is an essential step in the development of a suitable drug against it. However, this process often takes several years and is very expensive. A crystal lattice of DNA origami could be used as a host for guest molecules whose structure needs to be determined. DNA origami crystals could therefore be used in medicine to elucidate the structure of biomolecules and make smart drug design.

So far however, it has not been possible to produce uniform crystals on earth that would be necessary for further processing. One possible reason could be Earth’s gravity. Microgravity provides optimal conditions for crystal growth.

The ISS thus offers the unique opportunity to study the behaviour of the new material in microgravity and to exploit the positive effects of microgravity to grow a 3D-DNA Origami crystal. These crystals could make it possible to break new ground in robotics, computer science, materials science, medicine and drug development.

The analysis of DNA origami crystals grown in microgravity will help researchers better understand the precise conditions for producing the highest quality, error-free crystals. The knowledge gained supports the commercial expansion of the production of DNA Origami crystals on Earth.

 

More information on DNA Origami and the possibilities of this technique:

Rothemund, Paul W. K. “Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns”. “Nature”. 2006. 440, p. 297-302.

https://www.ted.com/talks/paul_rothemund_casts_a_spell_with_dna

https://www.ted.com/talks/paul_rothemund_details_dna_folding

 

DEUTSCHE VERSION

Nicht nur Papier Origami Künstler können beeindruckende Strukturen durch Falten erschaffen – sondern auch die Natur. Nach dem molekularen Bauprinzip des Erbgutes können mit einer Technik die sich DNA-Origami nennt beliebige Zwei- und Dreidimensionale Strukturen erschaffen werden.

Forscher haben bereits verschiedenste DNA-Nanostrukturen entwickelt und realisiert (Abbildung 1). Auch funktionale Objekte wie Scharniere, Greifer, Rotoren und sogar einen Roboter mit beweglichen Armen sind heutzutage möglich – alle aus DNA-Molekülen.

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Abbildung 1: DNA-Origami Vielfalt. Eine große Menge an unterschiedlichsten Strukturen auf der Nanometerebene wurden bereits mit DNA-Origami Technik realisiert.

 

Doch wie entstehen DNA-Origami Strukturen aus einem DNA Strang?

Im Jahr 2006 entwickelte Paul Rothemund vom California Institute of Technology eine Technik, die es ermöglicht einen langen DNA Strang in verschiedenste Formen zu biegen: DNA-Origami. DNA-Origami ermöglicht es wie Papier Origami, zwei- und drei-dimensionale Strukturen zu formen. Statt ein Blatt Papier zu falten, faltet man einen langen DNA Strang mithilfe von vielen kleinen DNA Strängen zu dem gewünschten Objekt.

Der Gerüststrang wird aus Bakterien entnommen und liegt als Einzelstrang vor. Die Sequenz dieses langen DNA-Strangs, des Gerüsts, ist bekannt. Das macht es möglich, exakt komplementäre, kürzere DNA-Sequenzen (Klammern) zu entwerfen, die an bestimmte Stellen im langen DNA-Strang binden können.

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Abbildung 2: Selbstassemblierung von DNA-Origami Strukturen. Kurze DNA-Stränge erkennen ihre passgenauen Gegenstücke auf der langen Gerüst-DNA und können diese so verformen. Bild: Eurofins

 

Klammer- und Gerüststränge können sich in einem einzigen Schritt selbst zusammensetzen (Abbildung 2). Diesen Vorgang nennt man Selbstassemblierung. Dabei finden und verbinden sich immer genau gegensätzliche Stränge. So entstehen sehr stabile und nanometerpräzise Strukturen, wie zum Beispiel Objekte wie Oktaeder, Boxen oder Scharniere .

DNA-Origami ist also eine selbstassemblierende Methode, mit der es möglich ist, beliebige Strukturen mit Nanometerpräzision zu formen.

Wieso wollen wir nun DNA-Origami Strukturen auf die Internationale Raum Station bringen?

Der nächste Schritt des neuen Materials DNA-Origami ist, das Material um die Nanometer-Ebene zu erweitern und größere Strukturen zu bauen. Hier denkt man an Kristallbildung, wo sich aus Millionen von DNA-Origami Strukturen eine große, sehr stabile Struktur zusammensetzt. Kristalle sind sehr regelmäßige Strukturen mit definierten Abständen, diese Eigenschaft kann man ausnutzen um beispielsweise nanoelektronische Komponenten für einen DNA-Computer herzustellen.

Die Struktur eines Biomoleküls aufzuklären ist ein essenzieller Schritt um einen geeigneten Wirkstoff dagegen zu entwickeln. Dieser Vorgang dauert jedoch oft mehrere Jahre und ist mit einem großen Kostenaufwand verbunden. Ein Kristallgitter aus DNA-Origami könnte als „host“ für Gastmoleküle verwendet werden deren Struktur man aufklären möchte. DNA-Origami Kristalle könnten also in der Medizin zur Strukturaufklärung von Biomolekülen Anwendung finden.

Bisher gelang es jedoch nicht, auf der Erde gleichmäßige Kristalle herzustellen, die für eine weitere Verarbeitung, beispielsweise zu Nano-Werkzeugen, nötig wären. Ein möglicher Grund könnte die Erdgravitation sein.

In Mikrogravitation herrschen optimale Bedingungen für Kristallwachstum.

Die ISS bietet also die einzigartige Möglichkeit, das Verhalten des Materials in Mikrogravitation zu untersuchen, sowie die positiven Effekte der Mikrogravitation auszunutzen, um einen 3D DNA-Origami-Kristall zu züchten. Diese Kristalle könnten es ermöglichen, neue Wege im Bereich der Robotik, Computerwissenschaften, Materialwissenschaften, Medizin und Medikamentenent­wicklung zu gehen.

Die Analyse von DNA-Origami Kristallen, die in der Mikrogravitation gezüchtet werden, hilft Forschern, die genauen Bedingungen, für die Herstellung der hochwertigsten und fehlerfreisten Kristalle besser zu verstehen. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse unterstützen die kommerzielle Ausweitung der Produktion von DNA-Origami-Kristallen auf der Erde.

 

Mehr Informationen zu DNA Origami und die Möglichkeiten dieser Technik:

Rothemund, Paul W. K. “Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns”. “Nature”. 2006. 440, p. 297-302.

https://www.ted.com/talks/paul_rothemund_casts_a_spell_with_dna

https://www.ted.com/talks/paul_rothemund_details_dna_folding

A world first on SpaceStarters – Financing for experiments on the International Space Station ISS

Deutsche Version siehe unten – Lesezeit 3:30 min

Together with Airbus Defence & Space, SpaceStarters has developed a program to finance experiments on the International Space Station ISS.

Absence of gravity  prevails on the International Space Station ISS. This provides the ISS with a unique environment for research experiments that cannot be  successfully conducted on Earth due to gravity. Especially in the fields of medicine, biotechnology and materials science, so-called microgravity on the ISS helps to achieve important research advances.

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Access to the ISS is associated with high hurdles: Research projects must obtain qualification for flight to the ISS and  implementation on the space station (to ensure  the safety of the station and astronauts). In addition, access to the ISS is expensive, as the flight in a launcher is still complex.

Together with Airbus Defence & Space Kiwi, we have considered what can be done to reduce these entry barriers and provide attractive research projects with access to microgravity.

With the help of a jury of space experts, we have selected two research projects together with Airbus Defence & Space Kiwi that benefit in particular from the implementation in microgravity: Space Origami and 3D-DOS. Airbus Defence & Space Kiwi has provided initial funding for both research projects in order to enable the two TU Munich teams to prepare their experiments for a flight into space and crowdfunding to financ the cost.

For the first time, SpaceStarters offers the opportunity to provide financial support for top-class research in space. Funding will be collected as part of the crowdfunding process. As a sponsor, you directly support the work of the research teams and enable to achieve important research results that cannot be realized on Earth.

What is the difference to crowdinvesting?

Financing of experiments on the International Space Station is in the form of grants. You provide the researchers with financial support for their work and in return you receive a thank you in the form of a premium, depending on the amount of your funding. Funding is possible from as little as 10€. The two research teams at the TU Munich have put a lot of effort into developing the rewards: from the Mission Patch to VIP tickets to participate in the rocket launch in Cape Canaveral, you can participate in the project with your financial support.

Compared to crowdinvesting, where the funder as an investor expects a return on his financial investment, supporting  these research projects is a donation. With your commitment, you make it possible for top German research to be conducted into micro gravity.

Both teams have defined a funding threshold that must be reached so that the research teams can use the donated money. The funding threshold is chosen in such a way that the minimum cost of preparation, flight and conducting the experiments on the ISS is covered when the threshold is reached.

The Teams

Space Origami: The team of Space Origami has set itself the goal to grow 3D DNA Origami crystals from the new and innovative nanomaterial DNA Origami. The ISS offers the unique opportunity to investigate the behaviour of the material in microgravity and to exploit the positive effects of microgravity to grow a 3D DNA Origami crystal. The crystals provide groundbreaking opportunities in robotics, computer science, materials science and medicine. [More about Space Origami]

3D-DOS: Manned space exploration will require long-term stays of astronauts in space. From a medical point of view, such stays still need to be critically questioned, especially because of the astronauts’ high radiation exposure. The 3D-DOS team is developing a novel radiation sensor that provides more information than currently used sensors and is compact, light weighted and easy to use. [More about 3D-Dos]

 

Deutsche Version

Eine Weltneuheit auf SpaceStarters – Finanzierung für Experimente auf der Internationalen Raumstation ISS

Gemeinsam mit Airbus Defence & Space hat SpaceStarters ein Programm zur Finanzierung von Experimenten auf der Internationalen Raumstation ISS entwickelt.

Auf der Internationalen Raumstation ISS herrscht Schwerelosigkeit. Damit bietet die ISS eine einzigartige Umgebung für Forschungsexperimente, die auf der Erde aufgrund der Schwerkraft nicht erfolgreich durchgeführt werden können. Insbesondere im Bereich der Medizin und Biotechnologie sowie der Materialwissenschaften hilft die sogenannte Microgravitation auf der ISS, wichtige Forschungsfortschritte zu erzielen.

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Der Zugang zur ISS ist mit hohen Hürden verbunden: Forschungsprojekte müssen eine Qualifizierung für den Flug zur ISS und die Durchführung auf der Raumstation erlangen (um die Sicherheit der Station und der Astronauten zu gewährleisten). Zusätzlich ist der Zugang zur ISS teuer, da der Flug in einer Trägerrakete nach wie vor aufwendig ist.

Gemeinsam mit Airbus Defence & Space Kiwi haben wir uns überlegt, was getan werden kann, um diese Eintrittsbarrieren zu reduzieren und attraktiven Forschungsvorhaben den Zugang zur Schwerelosigkeit zu ermöglichen.

Mit Hilfe einer Expertenjury aus dem Bereich der Raumfahrt haben wir gemeinsam mit Airbus Defence & Space Kiwi zwei Forschungsprojekte ausgewählt, die ganz besonders von der Durchführung in Microgravitation profitieren: Space Origami und 3D-DOS. Für beide Forschungsprojekte hat Airbus Defence & Space Kiwi eine Anschubfinanzierung zur Verfügung gestellt, um die beiden Teams der TU München in die Lage zu versetzen, ihre Experimente für einen Flug ins Weltall vorzubereiten und für die Finanzierung der Kosten ein Crowdfunding durchzuführen.

Erstmalig gibt es nun bei SpaceStarters die Möglichkeit, hochkarätige Forschung im Weltall finanziell zu unterstützen. Im Rahmen des Crowdfundings werden Fördergelder eingesammelt. Als Förderer unterstützen Sie direkt die Arbeit der Forschungsteams und ermöglichen es, dass wichtige Forschungsergebnisse erzielt werden können, die auf der Erde nicht realisierbar sind.

Was ist der Unterschied zum Crowdinvesting?

Bei der Finanzierung der Experimente auf der Internationalen Raumstation handelt es sich um Förderungen. Sie stellen den Forschern eine finanzielle Unterstützung für ihre Arbeit zur Verfügung und erhalten im Gegenzug – je nach Höhe Ihrer Fördersumme – ein Dankeschön in Form einer Prämie. Eine Förderung ist bereits ab 10€ möglich. Die beiden Forscherteams der TU München haben sich viel Mühe bei der Entwicklung der Prämien gegeben: vom Mission Patch bis hin zu VIP Tickets zur Teilnahme am Raketenstart in Cape Canaveral können Sie mit ihrer finanziellen Unterstützung am Projekt teilhaben.

Im Vergleich zum Crowdinvesting, bei dem der Geldgeber als Investor eine Verzinsung seines finanziellen Einsatzes erwartet, ist die Unterstützung der Forschungsprojekte eine Spende. Mit Ihrem Engagement machen Sie es möglich, dass deutsche Spitzenforschung in der Schwerelosigkeit durchgeführt werden kann.

Beide Teams haben eine Fundingschwelle definiert, die erreicht werden muss, damit die Forscherteams das gespendete Geld verwenden können. Die Fundingschwelle ist so gewählt, dass bei Erreichen der Schwelle die Mindestkosten für die Vorbereitung, den Flug und die Durchführung der Experimente auf der ISS gedeckt sind.

Die Teams

Space Origami: Das Team von Space Origami hat es sich als Ziel gesetzt aus dem neuen und innovativen Nanomaterial DNA-Origami, 3D DNA-Origami-Kristalle zu züchten. Dabei bietet die ISS die einzigartige Möglichkeit, das Verhalten des Materials in Microgravitation zu untersuchen sowie die positiven Effekte der Microgravitation auszunutzen, um einen 3D DNA-Origami-Kristall zu züchten. Die Kristalle ermöglichen bahnbrechende Chancen im Bereich der Robotik, Computerwissenschaften, Materialwissenschaften und Medizin. [Mehr zu Space Origami]

3D-DOS: Die bemannte Erkundung des Weltraums wird Langzeitaufenthalte von Astronauten im All erfordern. Solche Aufenthalte müssen aus medizinischer Sicht immer noch kritisch hinterfragt werden, vor allem aufgrund der hohen Strahlenbelastung für die Astronauten. Das Team von 3D-DOS entwickelt einen neuartigen Strahlungssensor, welcher mehr Informationen liefert als aktuell eingesetzte Sensoren und gleichzeitig kompakt, leicht und einfach zu bedienen ist. [Mehr zu 3D-Dos]

Crowdfunding Webinar by SpaceStarters

We would like to take up your interest in funding your business idea and offer you a great opportunity to join the next Crowdfunding Webinars of SpaceStarters, the crowdfunding platform for space-based innovations.

Take your chance to get first-hand information and valuable advice of Uli W. Fricke, CEO of FunderNation and Triangle. With her over 20 years of experience in investing in technology start-ups, she provides you with information about how to accelerate your business and comprehensive answers to your specific questions.

Schedule for Webinar “How to fund your business idea”

  • 12.06.2018 at 9:30 a.m. CEST
  • 03.07.2018 at 5:30 p.m. CEST
  • 24.07.2018 at 5:30 p.m. CEST
  • 18.09.2018 at 9:30 a.m. CEST

Join our webinar for maximum benefit to your business. Please register on: http://www.space-of-innovation.com/crowdfunding  and secure your chance for participation, as slots are limited.

YOUR Benefit and answers to the topics:
  • How do I find the further capital to start/grow my business?
  • How to create a funding mix of business angel, VC and the crowd?
  • What is the right time for crowdfunding?
  • What do crowd investors expect from a company?
  • What do startups can benefit from the crowd?

See you online!

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