ДНК, присутствующая почти в каждой клетке, все чаще используется в качестве строительного материала для создания крошечных, но сложных структур, таких как автономные «ходоходы по ДНК», которые могут перемещаться по поверхности микрочастиц, флуоресцентные метки для диагностических целей, « Ящики ДНК, которые служат умными средствами доставки лекарств, запрограммированными открываться в очагах болезни для высвобождения своего терапевтического содержимого, или программируемыми фабриками для наночастиц определенных размеров и форм для новых оптических и электронных приложений.
Чтобы приспособить эти функции, исследователи из Гарвардского института биологической инженерии им. Однако размеры ДНК-оригами ограничены, потому что они зависят от наличия каркасных нитей, которые трудно изготовить и с которыми сложно манипулировать. В 2012 году Пэн Инь и его команда из Института Висса представили альтернативный метод в Nature (2D) и Science (3D), основанный на «кирпичиках» ДНК, которые не используют каркас, а скорее могут соединяться, как взаимосвязанные Lego. ® кирпичей и, таким образом, самостоятельно собираться в конструкции размером с оригами заданной формы.
Как сообщается в журнале Nature, команда совершила скачок в своей технологии на два порядка, позволив кирпичикам ДНК следующего поколения самостоятельно собираться в трехмерные наноструктуры, которые в 100 раз сложнее, чем те, которые создаются с помощью существующих методов. ДНК-оригами и ДНК-кирпичи первого поколения самособираются из сотен уникальных компонентов для создания наноструктур в масштабе мегадальтон, в то время как новый подход с использованием ДНК-кирпичиков позволяет 10 000 компонентов самостоятельно собираться в структуры размером в гигадальтон (1 гигадальтон равен 1000 мегадальтон или 1 миллиард дальтон). Исследование предоставляет удобные вычислительные инструменты для проектирования наноструктур ДНК со сложными полостями (и, возможно, поверхностями), которые потенциально могут служить строительными компонентами в многочисленных нанотехнологических приложениях в медицине и технике..
Принцип и многообещающие возможности наших ДНК-кирпичиков первого поколения заставили нас задаться вопросом, можем ли мы улучшить систему, чтобы получить значительно более сложные наноструктуры с гораздо более высокими выходами в реакциях сборки в одном реакторе. Здесь нам удалось сделать все это. Мы разработали легкодоступную практическую платформу, которая позволяет исследователям с самыми разными интересами и задачами создавать молекулярный холст из 10 000 кирпичиков и использовать его для создания наноструктур с беспрецедентной сложностью и потенциалом», - сказал автор-корреспондент Инь. Ф. D., член основного факультета Института Висса, соруководитель Инициативы Института по молекулярной робототехнике и профессор системной биологии Гарвардской медицинской школы.
Технология кирпичиков ДНК основана на стабильной и легко программируемой природе ДНК. Одиночный ДНК-кирпичик представляет собой короткую цепь синтетической ДНК, состоящую из заранее определенной последовательности четырех универсальных нуклеотидных оснований: аденина (А), цитозина (С), гуанина (G) и тимина (Т). Исследователи из Института Висса создают большие трехмерные наноструктуры, смешивая различные блоки, каждый из которых несет свою уникальную последовательность нуклеотидов, предназначенную для связывания с комплементарным доменом нуклеотидных оснований в другом блоке, чтобы они могли самособираться. В новой версии технологии, изменяя длину отдельных доменов связывания внутри блоков, команда получила существенное увеличение разнообразия среди возможных блоков, которые, кроме того, гораздо сильнее связываются друг с другом. В ходе исследования также было разработано удобное для пользователя компьютерное программное обеспечение, позволяющее дизайнерам просто вводить требуемую трехмерную форму и автоматически получать список последовательностей ДНК-кирпичиков, которые можно синтезировать и использовать для формирования желаемой структуры.
Мы продемонстрировали возможности нашей технологии, построив массивные прямоугольные параллелепипеды, содержащие до 30 000 кирпичей, и показали несколько образцов фигур, которые можно построить из подмножеств этих кирпичей. Примечательно, что кирпичи смогли различить между десятками тысяч потенциальных партнеров, чтобы найти своих правильных соседей, и было захватывающе видеть, что технику кирпичиков ДНК можно использовать для формирования довольно сложных полостей, таких как плюшевый мишка, слово «ЛЮБОВЬ» или лента Мёбиуса, среди многих другие», - сказала первый автор Лувена Онг, доктор философии, бывший аспирант лаборатории Инь, а ныне научный сотрудник Bristol-Myers Squibb.
Команда Иня сотрудничала с исследователями из Национального центра научных исследований (CNRS) и Французского национального института здравоохранения и медицинских исследований (INSERM) в Монпелье, Франция, и Института биохимии Макса Планка в Мюнхене, Германия, для развертывания набор современных методов микроскопии для визуализации спроектированных полостей в трехмерных прямоугольных параллелепипедах.«Структуры полостей, состоящие из кирпичиков ДНК, представляют большой интерес, поскольку они дают возможность создавать наноконтейнеры, в которых биомолекулы, такие как белки, могут быть размещены в строго определенном порядке для изучения их взаимодействий и использования их активности», - сказал соавтор Юнган Ке., доктор философии, который вместе с Инь разработал первую платформу ДНК-кирпича в качестве постдокторанта в Институте Висса, а сейчас является доцентом в Технологическом институте Джорджии и Университете Эмори. Кэ, работая вместе со своим аспирантом Пэнфэй Ван, сыграл важную роль в продвижении технологии до ее новой версии. «Добавляя функциональные фрагменты к кирпичикам ДНК, которые могут выполнять сборочные и ферментативные процессы, их можно превратить в мощные инструменты для коммерческих и биомедицинских процессов нанопроизводства в новом масштабе», - сказал Ке. Исследователи полагают, что в будущем этот метод можно будет также использовать для создания больших наноструктур со скульптурными и специфическими внешними поверхностями.
«То, как развивается многогранная технология ДНК-кирпичиков, показывает, как Инициатива молекулярной робототехники Института Висса может глубоко проникнуть в область ДНК-нанотехнологий, чтобы обеспечить новые подходы, которые могут решить многие проблемы реального мира», - сказал директор-основатель Института Висс. Дональд Ингбер, доктор медицины, доктор философии, который также является профессором сосудистой биологии Джуды Фолкмана в HMS и программы сосудистой биологии в Бостонской детской больнице, а также профессором биоинженерии в SEAS..
Другими авторами исследования являются соавтор Гаэтан Беллот, доктор философии, который вместе с Патриком Броном, доктором философии, и Жозефиной Лай-Ки руководил реконструкцией наноструктур ДНК с помощью трехмерной электронной томографии. -Он, доктор философии, в CNRS и INSERM в Монпелье, Франция, и Ральф Юнгманн, доктор философии, преподаватель LMU в Мюнхене и Института биохимии Макса Планка в Германии, и его аспиранты Флориан Шудер и Максимилиан Штраус. Дополнительные авторы - бывшие и нынешние члены команды Института Инь Висс, в том числе приглашённый студент Никита Ханикель, научный сотрудник Кейси Гран, доктор философии. D., Джоселин Киши, доктор философии, и Кэмерон Мирвольд, доктор философии, которые на момент исследования были аспирантами, аспирантом Бей Ван и научными ассистентами Омаром Яги и Алленом Чжу.