В течение последнего десятилетия исследователи работали над созданием наноразмерных материалов и устройств с использованием ДНК в качестве строительных материалов посредством процесса, называемого «ДНК-оригами».
Одна длинная «каркасная» нить ДНК может быть свернута в определенную форму сотнями более коротких цепей, например. Порядок оснований в каждой короткой нити действует как схема, определяющая окончательную трехмерную форму каркаса ДНК.
Ученые надеются использовать этот метод для разработки молекулярных устройств, которые функционируют как наноразмерные машины или устройства для доставки лекарств, маркеров для медицинской визуализации или биологических исследований, а также компонентов для электронных устройств.
Длинные каркасы ДНК, состоящие из более чем 10 000 структурных единиц ДНК, называемых «нуклеотидами», по-прежнему трудно производить и манипулировать ими, что до сих пор ограничивало размер структур оригами. Также оказалось сложным изучить трехмерную структуру этих наночастиц в их естественном гибком состоянии.
Теперь впервые группа исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и Университета штата Огайо создала трехмерные изображения из 129 отдельных молекул гибких частиц ДНК-оригами. Их работа обеспечивает первую экспериментальную проверку теоретической модели ДНК-оригами.
Используемые здесь методы можно легко применить к другим типам сфабрикованных структур ДНК-оригами и помочь в разработке и оптимизации будущих структур. Их работа была недавно опубликована в Nature Communications.
Исследовательская группа сосредоточилась на структурах ДНК, смоделированных по базовому механизму, называемому «сцепление Беннета», который представляет собой трехмерную структуру, состоящую из цепочки из четырех стержней, соединенных шарнирами. Это создает перекошенную четырехугольную форму, в которой шарниры не параллельны или не расположены на одной линии. Используя соединения Беннета в качестве строительных блоков, можно создавать расширяемые полезные конструкции, такие как опоры для палаток, которые можно быстро собрать.
Структуры оригами ДНК очень сложны для изучения, потому что они очень гибкие и тонкие, а каждая молекула имеет уникальную трехмерную форму. Эта изменчивость делает обычные методы визуализации, такие как криоэлектронная микроскопия отдельных частиц (крио-ЭМ), менее подходящими. Крио-ЭМ включает обширное компьютерное «усреднение» от тысяч до сотен тысяч подобных молекул. В результате информацию о гибких частях структур ДНК-оригами можно легко усреднить, что даст неполную картину структуры.
Исследователи полагались на технику, разработанную в лаборатории Berkeley’s Molecular Foundry, исследовательском центре наноразмерной науки, для изображения отдельных молекул, составляющих эти структуры. Метод, называемый электронной томографией отдельных частиц (IPET), делает снимки молекулы-мишени под разными углами обзора, а затем объединяет эти изображения для создания одной трехмерной визуализации всей молекулы, аналогично тому, как это делается при медицинской компьютерной томографии (КТ).) сканирование работает.
Исследователи сделали 129 трехмерных изображений с разрешением от 6 до 14 нанометров, что позволило им получить информацию о динамике и гибкости структур ДНК-оригами.
«Реконструкция подтвердила, что связи Беннета имеют высокую степень структурного разнообразия», - сказал Гэнг «Гэри» Рен, научный сотрудник Центра обработки изображений Molecular Foundry и один из руководителей исследования.
Геометрический анализ этих реконструкций показывает, что конформации механизмов сцепления Беннета хорошо согласуются с теоретическими моделями. Когда соединения находятся в состоянии, близком к «открытому», «шарнир» почти полностью выдвинут. Когда структуры приближаются к своей «закрытой» конформации, они принимают другую форму и становятся чрезвычайно гибкими и деформированными.
«Основываясь на этих результатах и визуализации моделей связей Беннета, мы можем предложить новую стратегию для улучшения нашего контроля над связями Беннета в больших каркасах ДНК», - сказал Рен. «Подход включает перепроектирование последовательностей ДНК вблизи суставов, чтобы сделать структуру более жесткой и предотвратить ее искажение вблизи этого сустава».
The Molecular Foundry находится в ведении Министерства энергетики США.
Помимо ученых из лаборатории Беркли, в этом исследовании принимали участие и другие исследователи из Университета штата Огайо. Работа поддержана Национальным научным фондом и Национальным институтом здравоохранения.