Метод днк оригами

Добавил пользователь Евгений Кузнецов
Обновлено: 24.08.2024

Если у вас есть вопросы:
8 (495) 215-15-14

ДНК-оригами — это способ сборки различных структур из ДНК. При этом параметры образующихся структур можно запрограммировать заранее. ДНК служит материалом, также как бумага в японском искусстве оригами. Технология ДНК-оригами основана на свойстве цепочек ДНК соединяться по принципу комплементарности: азотистое основание А соединяется с Т, а Г с Ц.

Технологию и термин "ДНК-оригами" придумал в 2006 году Пол Ротемунд из Калифорнийского Технологического Института. Он опубликовал статью в Nature с описанием создания двумерных структур из ДНК (треугольников, квадратов, звезд, смайлов и др). Но увидеть их можно было только с использованием электронного микроскопа. Затем несколько лет ушло на отработку метода и его совершенствование. Например, учёные научились делать трёхмерные структуры и даже шагающих ДНК-роботов. После этого возник вопрос, как можно применить эту технологию? Перспектив было много: доставка лекарств, создание молекулярных машин и новых материалов.

Используется ли эта технология сейчас, спустя 15 лет после её изобретения? Поиск научных статей за последний год показал, что технология ДНК-оригами всё еще находится на стадии совершенствования метода. Наиболее полно эта технология используется в микроскопии, особенно флуоресцентной. Например, созданные структуры используют как положительный контроль при окрашивании структур клеток или для настройки микроскопа.

Одной из причин ограниченного применения этой технологии может быть маленький размер образующихся структур (10-100 нанометров). В недавней статье в журнале Nature Chemistry ученые из Китая и США смогли создать структуры большего размера, приблизительно шириной как человеческий волос. Возможно, работа с такими структурами ускорит практическое применение технологии ДНК-оригами.

ДНК-оригами - это укладка ДНК в наномасштабе для создания произвольных двух- и трехмерных форм на наноуровне . Специфичность взаимодействий между комплементарными парами оснований делает ДНК полезным строительным материалом благодаря дизайну ее последовательностей оснований. [2] ДНК - это хорошо изученный материал, который подходит для создания каркасов, которые удерживают другие молекулы на месте, или для создания самостоятельных структур.

Объект ДНК-оригами из вирусной ДНК, визуализированный с помощью электронной томографии . [1] Карта находится вверху, а атомная модель ДНК - ниже. ( Находится в EMDB EMD-2210 )

ДНК-оригами было прикрытием журнала Nature 16 марта 2006 года. [3] С тех пор ДНК-оригами вышло за рамки искусства и нашло ряд применений от систем доставки лекарств до использования в качестве схем в плазмонных устройствах; тем не менее, большинство коммерческих приложений все еще находятся в стадии разработки или тестирования. [4]

Чтобы получить желаемую форму, изображения рисуются с растровой заливкой одной длинной молекулы ДНК . Затем этот дизайн вводится в компьютерную программу, которая рассчитывает размещение отдельных прядей скоб. Каждая скоба связывается с определенной областью матрицы ДНК, и, таким образом, благодаря спариванию оснований Уотсона-Крика необходимые последовательности всех цепей скобки известны и отображаются. ДНК смешивается, затем нагревается и охлаждается. По мере охлаждения ДНК различные скобы придают длинной нити желаемую форму. Конструкции можно непосредственно наблюдать с помощью нескольких методов, включая электронную микроскопию , атомно-силовую микроскопию или флуоресцентную микроскопию, когда ДНК соединяется с флуоресцентными материалами. [6]

Методы самосборки снизу-вверх считаются многообещающими альтернативами, которые предлагают дешевый параллельный синтез наноструктур в относительно мягких условиях.

С момента создания этого метода было разработано программное обеспечение, помогающее процессу с использованием программного обеспечения САПР. Это позволяет исследователям использовать компьютер для определения способа создания правильных скоб, необходимых для формирования определенной формы. Одно из таких программ, называемое caDNAno, представляет собой программное обеспечение с открытым исходным кодом для создания таких структур из ДНК. Использование программного обеспечения не только упростило процесс, но и резко уменьшило количество ошибок, допускаемых при ручных вычислениях. [9] [5]

В литературе было предложено множество потенциальных приложений, включая иммобилизацию ферментов, системы доставки лекарств и нанотехнологическую самосборку материалов. Хотя ДНК не является естественным выбором для создания активных структур для приложений нанороботов, из-за отсутствия структурной и каталитической универсальности, в нескольких статьях была изучена возможность использования молекулярных ходунков на оригами и переключателей для алгоритмических вычислений. [8] [10] В следующих параграфах перечислены некоторые из заявленных применений, проведенных в лабораториях с клиническим потенциалом.

Исследователи из Института Висса Гарвардского университета сообщили о самосборке и самоуничтожении сосудов для доставки лекарств с использованием ДНК-оригами в лабораторных испытаниях. Созданный ими ДНК-наноробот представляет собой открытую ДНК-трубку с шарниром с одной стороны, который можно закрыть с помощью застежки. Пробирка с ДНК, заполненная лекарством, закрывается аптамером ДНК , сконфигурированным для идентификации и поиска определенного больного родственного белка. Как только нанороботы оригами добираются до инфицированных клеток, аптамеры распадаются и высвобождают лекарство. Первой моделью заболевания, которую использовали исследователи, были лейкемия и лимфома . [11]

Исследователи из Национального центра нанонауки и технологий в Пекине и Университета штата Аризона сообщили о транспортном средстве доставки ДНК-оригами для доксорубицина , известного противоракового препарата. Лекарство было нековалентно прикреплено к наноструктурам ДНК-оригами посредством интеркаляции, и была достигнута высокая лекарственная нагрузка. Комплекс ДНК-доксорубицин поглощался раковыми клетками аденокарциномы молочной железы человека ( MCF-7 ) посредством клеточной интернализации с гораздо большей эффективностью, чем доксорубицин в свободной форме. Повышение активности уничтожения клеток наблюдалось не только в обычных MCF-7 , что более важно, также в резистентных к доксорубицину клетках. Ученые предположили, что ДНК-оригами, нагруженная доксорубицином, ингибирует закисление лизосом , что приводит к перераспределению препарата в клетках по участкам действия, что увеличивает цитотоксичность в отношении опухолевых клеток. [12] [13]

ДНК свернута в октаэдр и покрыта одним двойным слоем фосфолипида , имитирующим оболочку вирусной частицы. Наночастицы ДНК, каждая размером примерно с вирион, могут оставаться в циркуляции в течение нескольких часов после инъекции мышам. Он также вызывает гораздо более низкий иммунный ответ, чем частицы без покрытия. Исследователи из Института Висса Гарвардского университета сообщают, что он представляет собой потенциальное использование для доставки лекарств. [17] [18]

Возникла и идея использования дизайна белков для достижения тех же целей, что и ДНК-оригами. Исследователи из Национального института химии в Словении работают над использованием рациональной конструкции из сворачивания белков для создания структур много , как те видели оригами ДНК. Основное внимание в текущих исследованиях в области дизайна сворачивания белков уделяется области доставки лекарств, используя антитела, прикрепленные к белкам, как способ создания целевого носителя. [19] [20]

Американские исследователи разработали структуры, имитирующие вирус иммунодефицита человека. Они вызывают сильный иммунный ответ организма и могут использоваться в качестве вакцины против ВИЧ. Этот же подход создания имитаций вирусов, известный как ДНК-оригами, может применяться для разработки вакцин против нового коронавируса.

Генные инженеры Массачусетского технологического института (США) разработали вирусоподобную ДНК-структуру, которая в будущем может помочь в борьбе с ВИЧ и коронавирусом. Об этом сообщается в журнале Nature Nanotechnology.

Напомним, с 1980-х годов учёные работают над методами конструирования различных молекул ДНК для достижения тех или иных научных целей, в том числе медицинских. В 2006 году в Калифорнийском технологическом институте был разработан метод ДНК-оригами, с помощью которого цепочки из тысяч молекул выстраивались в виде различных геометрических фигур.

Уже в 2016 году массачусетская лаборатория профессора Марка Бате разработала на базе этого метода алгоритм, который позволял проектировать из синтетической ДНК трёхмерные вирусоподобные конструкции заданной формы. Тогда же был найден способ прикреплять к полученным структурам различные молекулы, в том числе вирусные антигены — белки, присущие конкретным вирусам.

В новом исследовании лаборатория Бате методом ДНК-оригами сымитировала форму и размер природного вируса иммунодефицита человека и точечно покрыла его антигенами ВИЧ.

По замыслу учёных, такая разработка является основой для создания противовирусных вакцин нового поколения. Механизм действия такой вакцины прост — обнаружив имитацию вируса, организм производит иммунные клетки (в первую очередь B-лимфоциты) и вырабатывает антитела к настоящим природным вирусам.

По признанию учёных, самым сложным в работе было нахождение правильного размера синтезированных структур ДНК, определение нужного количества прикрепляемых антигенов и вычисление оптимального расстояния между ними для наилучшей активации B-лимфоцитов.

Результаты этого исследования, отмечают учёные, могут помочь в разработке вакцины против ВИЧ. Используемый в этой работе антиген вируса в настоящее время проходит клинические испытания на людях.

В последние месяцы лаборатория Бате в кооперации с другими лабораториями США проводит исследования, в которых антигены ВИЧ заменены белками, обнаруженными на поверхности вируса SARS-CoV-2, вызывающего COVID-19. Эффективность иммунного ответа проверяется в экспериментах на мышах.

Новый подход применим к разработке вакцин от самых разных вирусов, в том числе различных типов коронавирусов, включая известные и возможные будущие их варианты, отмечают учёные.

Однако, как ни была остроумна и перспективна эта методика, у нее был ряд серьезных недостатков. Во-первых, каждую новую структуру приходилось с нуля просчитывать заново: продумывать взаимное положение изгибов, подбирать нужные ДНК-последовательности, следить, чтобы скрепки были комплементарны только нужным участкам и не прилипали к чему-нибудь ненужному, и так далее. Еще одно затруднение возникало с основной нитью ДНК: если коротенькие скрепки можно было без проблем синтезировать искусственно, то синтез с нуля мало-мальски длинной нуклеотидной последовательности — дело трудное, долгое и неблагодарное: чем длинней нить, тем больше вероятность, что она будет синтезирована с ошибкой. Поэтому обычно в качестве основной нити в ДНК-оригами используется уже готовая ДНК — например, принадлежащая какому-нибудь вирусу; а это, опять же, накладывает на методику определенные ограничения. К тому же, оригами-структуры долго собираются (видимо, из-за того, что нужно укладывать длинную — а значит, легко запутывающуюся — нить ДНК), и выход их невелик.

Рис. 2. Вот какие плоские структуры получил Пол Ротмунд с помощью методики ДНК-оригами. Изображение из статьи Paul W. K. Rothemund, 2006. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns

Рис. 3. Крестообразная ДНК-черепица состоит из нескольких сложно переплетенных нитей ДНК и может дать начало плоским структурам. Фотографии этих структур справа внизу получены с помощью сканирующего атомного силового микроскопа на разных разрешениях и в разных режимах. Изображение из статьи Hao Yan et al, 2003. DNA-Templated Self-Assembly of Protein Arrays and Highly Conductive Nanowires

Пять лет спустя, в 2008 году, был предложен еще один вариант ДНК-модуля (Peng Yin et al, 2008. Programming DNA Tube Circumferences). Это тоже было что-то вроде черепицы, но гораздо более интересной. Она была проще по строению и представляла собой, по сути, просто короткую (всего лишь 42-нуклеотидную) и потому легкосинтезируемую нить ДНК. Эта нить подразделялась на четыре домена, на каждый из которых мог налипнуть домен соседней нити. В результате черепица особым образом изгибалась и самособиралась в плоские структуры, которые могли замыкаться в трубки (рис. 4).

Но и трехмерные трубки — это тоже было слишком мало: ученых снедала мечта о полноценных, произвольных трехмерных структурах, которые можно было бы легко собрать из простых модулей.

Теперь из кирпичиков можно было собирать модели (перед глазами встают домики и машинки, которые многие из нас помнят из детства). И тут авторы поступили очень остроумно. Вместо того, чтобы каждый раз заново просчитывать новую модель, они придумали следующее.

Вначале мы собираем из кирпичиков большой куб (точнее, как можно более приближенный к кубу параллелепипед). Сборка такого параллелепипеда из ДНК немного сложней, чем игра в детские конструкторы, и предполагает соблюдение нескольких условий.

Условие первое. Последовательность каждого из кирпичиков должна быть уникальна — то есть два кирпича могут быть либо полностью идентичны, либо полностью различны, наличие одинаковых доменов на разных кирпичах недопустимо — иначе может возникнуть ситуация, когда два одинаковых домена с разных кирпичиков конкурируют за то, чтобы налипнуть на комплементарный себе домен. Если первое условие соблюдено, то, встретившись вместе, кирпичики могут собраться одним и только одним способом, причем каждый кирпичик займет свое, уникальное место внутри параллелепипеда.

Условие второе. Последовательность нуклеотидов в каждом кирпичике должна быть такой, чтобы его домены слеплялись с доменами только соседних кирпичей и не возникало ситуации, когда один домен на кирпичике хочет слепиться с комплементарным себе доменом на одном конце куба, а второй домен того же кирпича тянется к комплементарному себе домену на другом конце. Если соблюдено второе условие, то при соединении кирпичиков получится именно параллелепипед, а не какая-то абракадабра.

И вот, допустим, мы наконец собрали этот параллелепипед. Теперь нам проще некуда создать почти любую трехмерную форму на его основе. Для этого достаточно выкинуть из него ненужные кирпичи (рис. 6). Хотим мы сделать структуру с полостью в середине — убираем кирпичики внутренних слоев. Хотим сделать пирамиду — убираем ряды кирпичиков с верхних ребер. И так далее.

Рис. 6. Если у нас есть набор кирпичиков, из которого можно собрать параллелепипед, то потом из этого набора можно получить и другие фигуры, выбирая только нужные кирпичики. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

В результате если мы один раз просчитаем набор кирпичиков для параллелепипеда достаточно большого объема, то руки у нас развязаны: мы сможем собрать из этого набора почти любую объемную структуру, которая помещается внутри параллелепипеда. Однако надо помнить, что минимальная объемная точка (воксел) в этой структуре не может быть меньше, чем объем витка двойной спирали, образованной комплементарными доменами двух кирпичиков, который составляет 2,5 x 2,5 x 2,7 нм. Это накладывает определенные ограничения на построение объемных моделей, но пока, на данном этапе развития нанотехнологий, эти ограничения не кажутся особенно вопиющими.

Рис. 7. Структуры, которые удалось получить с помощью лего-методики (эти же фигуры показаны в цвете на рис. 1). В верхней строке каждого горизонтального ряда — 3D-модели этих структур. В следующей строке — их плоская проекция, просчитанная компьютером, еще ниже — усредненное изображение шести структур данной конфигурации в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ). Самая нижняя строка — репрезентативное изображение одной структуры в ПЭМ. Обратите внимание, насколько точно в большинстве случаев компьютерные проекции совпадают с реальными изображениями структур. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Рис. 8. Созданная исследователями модель космического шаттла в спиральном и лего-виде (на предыдущем рисунке эта модель находится под номером 27). Изображение из синопсиса к обсуждаемой статье в Science

Впечатляет и возможный размер лего-моделей. В идеале (если использовать все возможные кирпичи) он может составить до 524 288 нуклеотидов, и даже этот размер можно превысить, если собирать структуру в несколько этапов. Хотя пока что особенно крупные лего-структуры получаются нестабильными, авторы предложили несколько методов решения этой проблемы, которые, возможно, позволят довести возможный размер моделей до астрономических (в наномасштабе, конечно) величин.

Возможности применения для таких ДНК-структур огромны, начиная от использования в наноэлектрических приборах и заканчивая доставкой лекарств (см. Drug delivery). Одним словом, совершенно ясно, что лего-ДНК-модели вот-вот получат практическое применение и принесут человечеству немалую пользу. А еще лично мне кажется очень важным, что из этой работы понятно, насколько важны дерзкие детские мысли во взрослых головах.

Источники:
1) Yonggang Ke, Luvena L. Ong, William M. Shih, Peng Yin. Three-Dimensional Structures Self-Assembled from DNA Bricks // Science. 2012. V. 338. P. 1177–1183.
2) Kurt V. Gothelf. LEGO-like DNA Structures // Science. 2012. V. 338. P. 1159–1160 — синопсис к предыдущей статье.
3) Paul W. K. Rothemund. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns // Nature. 2006. V. 440. P. 297–302.
4) Hao Yan et al. DNA-Templated Self-Assembly of Protein Arrays and Highly Conductive Nanowires // Science. 2003. V. 301. P. 1882–1884.
5) Peng Yin et al. Programming DNA Tube Circumferences // Science. 2008. V. 321. P. 824–826.

Истоком ДНК-нанотехнологии служат работы Недриана Симана (Nadrian Seeman, рисунок 1), начатые около 30 лет назад [1].

Тогда казалось, что при помощи правильно подобранных цепей ДНК можно сложить фигуру любой сложности, соответствующую любым целям. В целом действительность не обманула ожиданий учёных.

Можно выделить две существенные области использования ДНК в нанотехнологии:

ДНК как структурный элемент для создания сложных конструкций и
ДНК как функциональный элемент в наномашинах.

Мир ДНК кажется логичным, строгим и чуть ли не математически правильным. Две антипараллельные цепи ДНК, обвиваясь одна вокруг другой, формируют двойную спираль (дуплекс). Напротив каждого азотистого основания одной цепи находится строго определённое азотистое основание другой цепи: аденин (А) напротив тимина (Т), гуанин (G) напротив цитозина (C) (рисунок 2).

Рисунок 2. Комплементарные взаимодействия двух цепей ДНК.
Азотистые основания образуют друг с другом водородные связи,
причем в паре А-Т таких связей две, а в паре G-C - три.

Такое взаимодействие называется каноническим, или Уотсон-Криковским по имени учёных, предположивших и впоследствии доказавших формирование комплементарных пар (Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон вместе с Морисом Уилкинсом получили в 1962 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине за выдающийся вклад в расшифровку структуры ДНК). Соседние пары оснований связаны ещё и стекинг взаимодействием, что обеспечивает дополнительную жёсткость и стабильность молекулы ДНК. В физиологических условиях двойная цепь ДНК существует преимущественно в В-форме со следующими параметрами: один виток спирали состоит из 10.4 пар нуклеотидов, имеет 3.4 нм в длину и около 2.2 нм в диаметре; ширина большой бороздки 2.2 нм, ширина малой бороздки 1.2 нм (рисунок 3).

Рисунок 3. В-форма двойной спирали ДНК - "классическая" форма ДНК
и в живой природе, и в ДНК-нанотехнологии.

Нуклеотидный состав ДНК практически не влияет на параметры двойной спирали, что существенно развязывает исследователям руки. Ведь получается, что нуклеотидная последовательность ДНК может быть любой, отвечающей целям исследователя, и не будет вносить искажений в рассчитанную структуру.

В некоторых случаях, однако, сам состав цепи ДНК оказывается всё же достаточно важным: так, участки, богатые гуанином, склонны формировать гуаниновые квадруплексы, стабилизированные ионом металла, вместо двойной спирали (рисунок 4).

Рисунок 4. Гуаниновые квадруплексы - структуры,
образованные не двумя, а четырьмя цепями ДНК.

В условиях, отличных от физиологических: при изменении pH, ионной силы, – В-форма ДНК может переходить в А-форму либо, при определенном нуклеотидном составе, Z-форму, при этом длина двойной спирали уменьшается либо увеличивается, изменяется число нуклеотидов на виток. Живая клетка – тоже в некотором роде нанотехнолог; она использует разные состояния молекулы ДНК, чтобы регулировать активность генов, сделать те или иные участки более доступными или недоступными для ферментов, для репликации и транскрипции. Нанотехнолог-учёный использует механизмы, отточенные клеткой, и, пользуясь всей широтой накопленных знаний, конструирует наноструктуры или наномашины для собственных целей.

Тут следует внести небольшое уточнение к самому процессу изготовления и сборки этих структур. После того, как возникла идея, необходимо подобрать нуклеотидный состав цепей ДНК с таким расчётом, чтобы в задуманной структуре реализовалось максимально возможное число Уотсон-Криковских взаимодействий. Короткие олигонуклеотиды обычно синтезируют химически; современные технологии позволяют легко и дёшево синтезировать олигонуклеотиды длиной вплоть до 160 оснований. Более длинные фрагменты ДНК, от сотен до нескольких тысяч оснований, можно синтезировать ферментативно методом ПЦР. А дальше наступает момент чуда – точнее, момент самосборки: смешав все необходимые фрагменты ДНК в нужных пропорциях в подходящих условиях, исследователь ждёт, пока комплементарные пары отыщут друг друга и сформируют в точности ту структуру, которую он рисовал себе в воображении или в графическом редакторе… Таким образом, вся сложность использования ДНК в качестве структурного элемента состоит в рождении идеи. Подбор олигонуклеотидных последовательностей осуществляется программно, синтез не представляет проблемы, и если эти этапы пройдены без ошибок, самосборка пройдет без осложнений.

Проблема может возникнуть в неожиданном месте. Так, вдохновлённый открытыми перед ним возможностями, Нед Симан еще осенью 1980 года предложил собрать из двойных цепей ДНК объёмные фигуры: куб, усечённый октаэдр. Однако вскоре выяснилось, что хотя рёбра полученных конструкций обладают достаточной жёсткостью, углы не выдерживают никакой критики, и получающиеся фигуры далеки от совершенства. Поэтому учёные перешли из трёхмерной области для начала в двумерную и разработали прочные структурные мотивы, которые могли бы служить строительными кирпичиками для сборки протяжённых двумерных полей. Это, прежде всего, DX-мотив – две двойные спирали с двумя пересечениями (четырёхсвязными узлами). Стоит отметить, что похожая структура встречается в живой природе и известна как структура Холлидея. Это очень редкий пример существования разветвлённых структур ДНК в естественной среде. Структуры Холлидея формируются на определенном жизненном этапе между гомологичными дуплексами ДНК. В этом случае каждая из четырёх цепей ДНК, образующих эту структуру, комплементарна сразу двум цепям: цепи из своего и из соседнего дуплекса. Благодаря этому точка пересечения не строго определена и может смещаться в ту или иную сторону. Нанотехнологи не полагаются на волю случая и подбирают олигонуклеотиды так, чтобы точка пересечения была чётко задана (рисунок 5).

Рисунок 5. Структура Холлидея и четырёхсвязный узел.
(а) В структуре Холлидея каждая красная цепь ДНК комплементарна любой из голубых цепей,
благодаря чему середина перекрёстка может смещаться в любую сторону;
(b) в четырёхсвязном узле голубая цепь комплементарна красной, оранжевая - светло-зелёной
и так далее, что приводит к самосборке единственно возможного мотива
с фиксированным местом пересечения.

Рисунок 6. DX и DX-J блоки с липкими концами (вверху),
из которых можно собирать длинные плоские ленты (внизу).
Сбоку представлено изображение АСМ таких лент.

Повторяющиеся мотивы-перекрёстки позволяют создать двумерную сеть (рисунок 7) [4].

Рисунок 7. Структурная единица (слева)
и изображение АСМ двумерной сети,
полученной из таких элементов (справа)

Яркой иллюстрацией программированной сборки ДНК в определённые паттерны служит метод ДНК-оригами, предложенный Полом Ротмундом (Paul Rothemund), когда одна длинная одноцепочечная (например, вирусная) ДНК укладывается определённым образом при помощи относительно коротких олигонуклеотидных ДНК-скрепок, которые соединяют участки длинной ДНК и создают строго заданный рисунок (рисунок 8) [5].

Рисунок 8. Весёлое ДНК-оригами: собравшись поразить мир новой технологией сборки сложных структур из молекул ДНК,
Пол Ротмунт начал с бесполезных, но зато привлекательных форм: звёздочек, рожиц и треугольничков.

О ДНК-оригами Нанометр писал много и с большим удовольствием. До сих пор поражают воображение трёхмерные наношкатулки, снабжённые к тому же нанозамочком, который можно запирать и отпирать (рисунок 9) [6].

Рисунок 9. Трёхмерная реконструкция наношкатулки,
собранной методом ДНК-оригами.

Массивы ДНК могут быть связаны с органическими и неорганическими молекулами или частицами. Здесь могут преследоваться разные цели: ДНК можно модифицировать для удобства дальнейших манипуляций (например, тиольными группами), для придания молекуле дополнительной функциональности (красителями, белками), для геометрически заданного расположения интересующих элементов.

Рисунок 10. ДНК-устройство, предложенное Недом Симаном и его коллегами.

В положении, показанном вверху и внизу, устройство "пусто", эти две формы могут легко переходить друг в друга. Голубые "ключи" комплементарны один красному, другой зелёному одноцепочечному участку, благодаря чему связываются с устройством и фиксируют его в "двойном параллельном" положении (справа). При этом у "ключей" остаются свободные липкие концы, так что их можно удалить, добавив молекулы, показанные синим, которые полностью комплементарны голубым "ключам". Устройство снова "пусто". Добавление другой пары "ключей", на рисунке - фиолетовых, приводит к фиксации устройства в "перекрёстном" положении (слева).

Похожий принцип применяется и тогда, когда цепи изначально не полностью комплементарны, но в определённых условиях места несовпадений могут быть стабилизированы. Например, два расположенных друг напротив друга остатка тимина не образуют комплементарную пару, но при добавлении солей ртути формируется комплекс Т-Hg2+-Т. При отсутствии ионов ртути связывание происходит предпочтительно с другой цепью ДНК, в которой напротив остатка тимина расположен аденин (образуется каноническая пара А-Т). Таким образом, получается молекулярная машина, чувствительная к присутствию ионов Hg2+ [10].

Нашла своё применение и способность ДНК принимать необычную конформацию в зависимости от условий. Так, в 1999 году Мао, Симан и коллеги опубликовали в Nature статью, где показали, что если связать DX-блоки особой двуцепочечной ДНК, состоящей из чередующихся остатков гуанина и цитозина, то при добавлении соли Co(NH3)6+ эта связывающая ДНК переходит в Z-форму, благодаря чему DX-блоки поворачиваются относительно друг друга. При удалении соли связующая ДНК снова переходит в В-форму (рисунок 11) [11].

Рисунок 11. ДНК-нанопереключатель, основанный на переходе B-формы ДНК в Z-форму.

Другая необычная конформация ДНК, также нашедшая место в нанотенологии – это так называемая i-форма, образованная четырьмя богатыми цитозином цепями ДНК. Эта форма стабильна при низких значениях рН и разрушается при рН>6.3. На основе этого свойства созданы молекулярные машины, чувствительные к кислотности среды: одна из цепей ДНК, способная сворачиваться в i-форму, модифицирована на концах флуоресцентным красителем и гасителем флуоресценции (рисунок 12).

Рисунок 12. pH-зависимая i-форма ДНК позволяет конструировать
молекулярные устройства, чувствительные к кислотности среды.

В щелочной среде формируется двойная спираль (В-форма), флуорофор и гаситель пространственно разделены и не взаимодействуют; наблюдается флуоресценция. При понижении рН предпочтительной становится i-форма, гаситель сближается с флуорофором и излучение не наблюдается [12].

О конкретных интересных и изящных решениях задач в рамках ДНК-нанотехнологии вы также можете прочитать (и написать) на сайте Нанометр.

Читайте также: