В 2006 году Пол Ротемунд (BS '94) из Калифорнийского технологического института, ныне профессор-исследователь в области биоинженерии, вычислительной техники и математических наук, а также вычислительных и нейронных систем, разработал метод сворачивания длинной нити ДНК в заданную форму. Техника, получившая название ДНК-оригами, позволила ученым создать самособирающиеся структуры ДНК, способные нести любой заданный рисунок, например смайлик шириной 100 нанометров..
ДНК-оригами произвело революцию в области нанотехнологий, открыв возможности создания крошечных молекулярных устройств или «умных» программируемых материалов. Однако для некоторых из этих приложений требуются гораздо более крупные структуры ДНК-оригами.
Теперь ученые из лаборатории Лулу Цянь, доцента биоинженерии в Калифорнийском технологическом институте, разработали недорогой метод, с помощью которого ДНК-оригами самособирается в большие массивы с полностью настраиваемыми узорами, создавая своего рода холст, который может отображать любое изображение. Чтобы продемонстрировать это, команда создала самую маленькую в мире копию Моны Лизы Леонардо да Винчи - из ДНК.
Работа описана в статье, опубликованной в номере журнала Nature от 7 декабря.
Хотя ДНК, пожалуй, наиболее известна тем, что кодирует генетическую информацию живых существ, молекула также является отличным химическим строительным блоком. Одноцепочечная молекула ДНК состоит из более мелких молекул, называемых нуклеотидами (сокращенно A, T, C и G), расположенных в виде цепочки или последовательности. Нуклеотиды в одноцепочечной молекуле ДНК могут связываться с нуклеотидами другой одноцепочечной ДНК, образуя двухцепочечную ДНК, но нуклеотиды связываются только очень специфическими способами: нуклеотид А с Т или нуклеотид С с G. Эти строгие «правила» спаривания оснований позволяют создавать ДНК-оригами.
Чтобы сделать один квадрат ДНК-оригами, вам просто нужна длинная одиночная нить ДНК и множество более коротких одиночных цепей, называемых скобками, предназначенных для связывания с несколькими обозначенными местами на длинной нити. Когда короткие скобы и длинная нить объединяются в пробирке, скобы стягивают участки длинной нити вместе, заставляя ее складываться в желаемую форму. Большой холст ДНК собирается из множества меньших квадратных плиток оригами, словно собирая пазл. Молекулы могут быть выборочно прикреплены к скобам, чтобы создать выпуклый рисунок, который можно увидеть с помощью атомно-силовой микроскопии.
Команда Калифорнийского технологического института разработала программное обеспечение, которое может взять изображение, такое как Мона Лиза, разделить его на небольшие квадратные части и определить последовательности ДНК, необходимые для составления этих квадратов. Затем их задача заключалась в том, чтобы заставить эти части самостоятельно собраться в надстройку, воссоздающую Мону Лизу.
«Мы могли бы сделать каждую плитку с уникальными краевыми скобами, чтобы они могли прикрепляться только к определенным другим плиткам и самостоятельно собираться в уникальное положение в надстройке», - объясняет Григорий Тихомиров, старший научный сотрудник и ведущий автор статьи., «но тогда нам пришлось бы иметь сотни уникальных ребер, которые было бы не только очень сложно спроектировать, но и чрезвычайно дорого синтезировать. правильные места."
Ключом к этому была сборка плиток поэтапно, например, сборка небольших частей головоломки, а затем сборка из них для создания больших частей, прежде чем, наконец, собрать большие части вместе, чтобы собрать законченную головоломку. Каждая мини-головоломка использует одни и те же четыре края, но поскольку эти головоломки собираются отдельно, нет риска, например, что угловая плитка прикрепится не в том углу. Команда назвала этот метод «фрактальной сборкой», потому что один и тот же набор правил сборки применяется в разных масштабах.
«После того, как мы синтезировали каждую отдельную плитку, мы помещаем каждую в отдельную пробирку, всего 64 пробирки», - говорит Филип Петерсен, аспирант и соавтор статьи. «Мы точно знаем, какие плитки в каких трубках, поэтому мы знаем, как их комбинировать, чтобы собрать конечный продукт. Сначала мы объединяем содержимое четырех конкретных трубок вместе, пока не получим 16 квадратов два на два. Затем они объединяются. определенным образом, чтобы получить четыре трубки, каждая из которых имеет квадрат размером 4 на 4. А затем последние четыре трубки объединяются, чтобы создать один большой квадрат 8 на 8, состоящий из 64 плиток. Мы оформляем края каждой плитки так, что мы точно знаем, как они будут сочетаться».
Окончательная структура команды Qian была в 64 раза больше, чем исходная структура ДНК-оригами, разработанная Ротемундом в 2006 году. Надстройка ДНК была примерно такой же, как и у оригинального оригами Ротемунда. По словам Цяня, это должно сделать новый метод таким же доступным.
Иерархический характер нашего подхода позволяет использовать лишь небольшой и постоянный набор уникальных строительных блоков, в данном случае нити ДНК с уникальными последовательностями, для построения структур с возрастающими размерами и, в принципе, неограниченное количество различных картины, - говорит Тихомиров. «Этот экономичный подход к созданию большего с меньшими затратами похож на то, как устроено наше тело. Все наши клетки имеют одинаковый геном и построены с использованием одного и того же набора строительных блоков, таких как аминокислоты, углеводы и липиды. экспрессии генов, каждая клетка использует одни и те же строительные блоки для создания различных механизмов, например, мышечных клеток и клеток сетчатки».
Команда также создала программное обеспечение, позволяющее ученым всего мира создавать наноструктуры ДНК с помощью фрактальной сборки.
Чтобы сделать нашу технику доступной для других исследователей, заинтересованных в изучении приложений с использованием плоских наноструктур ДНК микрометрового масштаба, мы разработали онлайн-программный инструмент, который преобразует желаемое изображение пользователя в нити ДНК и протоколы влажной лаборатории. - говорит Цянь.«Протокол может быть непосредственно прочитан роботом, работающим с жидкостью, для автоматического смешивания нитей ДНК. Наноструктура ДНК может быть собрана без особых усилий».
С помощью этого онлайн-программного инструмента и автоматических методов работы с жидкостями было разработано и собрано несколько других паттернов из нитей ДНК, в том числе портрет бактерии в натуральную величину и портрет петуха в натуральную величину.
Другие исследователи ранее работали над присоединением различных молекул, таких как полимеры, белки и наночастицы, к гораздо меньшим холстам ДНК с целью создания электронных схем с крошечными функциями, изготовления современных материалов или изучения взаимодействия между химическими или биомолекулы», - говорит Петерсен. «Наша работа дает им еще больший холст для рисования».
Доклад называется «Фрактальная сборка массивов оригами ДНК микрометрового масштаба с произвольными узорами». Работа финансировалась фондом Burroughs Wellcome Fund, премией Национальной исследовательской службы Национального института здравоохранения и Национальным научным фондом..