ДНК-оригами или Как собрать разветвленные фигуры сложной формы

ДНК – это не только носитель генетической информации, но и неисчерпаемый источник вдохновения для создания самых причудливых и тонких структур. Про ДНК-оригами писали уже многие. В том числе затрагивали эту тему и мы в одном из дискуссионных постов в теме о нанороботах и нанокомпьютерах. Этот метод позволяет создавать самые разные двумерные и даже трёхмерные фигуры, соединяя одну длинную одноцепочечную молекулу ДНК более короткими ДНК-скрепками. В качестве основы часто используют одноцепочечную ДНК фага М13. ДНК-скрепки подбирают при помощи специально разработанных программ, а затем синтезируют химическим путём. Умение собирать усложнённые наноразмерные структуры может пригодиться для создания миниатюрных электрических схем, да и мало ли для чего ещё.

А началось всё так. 16 марта 2006 года вышел в свет журнал Nature с интригующим подзаголовком «ДНК - оригами» и изображенным на обложке большим желтым «смайликом». Такой «несерьезный» рисунок был выбран не случайно: его создателем является Пол Ротемунд – автор статьи о новом способе сборки сложных наноструктур из молекул ДНК. Оказывается, смешная рожица соткана из биополимерных нитей, ее диаметр составляет примерно 100 нм, толщина - 2 нм и «сфотографирована» она в атомно-силовом микроскопе.

В своей статье Ротемунд предложил метод создания наноструктур «снизу-вверх», основанный на самоорганизации ДНК, который был впоследствии назван "ДНК - оригами". Оригами – японское искусство складывания из бумаги. Целью оригамиста является точное определение положения одной или более точек листа, задающих складки, необходимые для создания окончательного объекта. Оригамист должен выполнить строгую последовательность действий, не нарушая семь геометрических правил Худзита. В ДНК оригами тоже есть свои, хорошо известные правила Уотсона-Крика, отвечающие принципу комплементарности азотистых оснований: аденин соединяется только с тимином, а гуанин с цитозином. Для создания ДНК оригами требуется одна длинная одноцепочечная ДНК (в своей работе автор использовал ДНК вируса М13 длиной порядка 7249 нуклеотидов) и множество коротких поддерживающих фрагментов длиной 30 нуклеотидов. На рисунке видно, как короткие цепочки играют роль агента, сшивающего 2 отдаленных участка основной цепи.

Процедура наносборки такова: вначале выбирается необходимая геометрическая форма - шаблон будущей наноструктуры, например, прямоугольник, круг, звезда, и т.д. Выбранная фигура на компьютере заполняется массивом параллельных спиралей ДНК, которые можно аппроксимировать цилиндрами. Чтобы полученная структура не развалилась, смежные спирали соединяются т.н. кроссоверами. На втором этапе через массив цилиндров прокладывается путь основной длинной цепочки, так чтобы она была одной из двух составляющих каждой из спиралей. Дальше компьютерная программа рассчитывает, какие именно коротенькие цепочки нужно синтезировать химикам-биологам для данной модели – это наиболее ответственный этап при моделировании. В итоге получаем около 70% бездефектных структур. ДНК оригами, безусловно, является одним из перспективных методов для решения многих нанотехнологических задач, например, для миниатюризации физических приборов или создания гибридных приборов в сочетании с нанопроводами, углеродными нанотрубками и наночастицами. Стоит отметить, что недавно датские ученые Йорген Кйемс и Курт Готхельф сконструировали нано-шкатулку! И, видимо, этим возможности ДНК оригами не ограничатся…

Исследователи из Brigham Young University, США, предлагают использовать для синтеза ДНК-основы и ДНК-скрепок полимеразную цепную реакцию (ПЦР). Дело в том, что использование целой вирусной ДНК в качестве основы накладывает ограничения на длину: она должна быть в точности равна длине вирусного генома, не больше и не меньше. С другой стороны, в ходе ПЦР можно синтезировать фрагменты практически любой длины, от менее ста пар нуклеотидов до более 10000 пар, с минимальными затратами, потрясающей точностью и огромной продуктивностью. Однако в результате ПЦР получается двуцепочечная ДНК, тогда как для ДНК-оригами требуется одноцепочечная.

Учёные предложили способ, позволяющий выделить одну из двух цепей ДНК, образовавшихся в ходе полимеразной цепной реакции. Для этого необходимо модифицировать один из праймеров, пришив к нему биотин. Тогда получившиеся в ходе ПЦР двуцепочечные фрагменты ДНК будут иметь биотин на 5'-конце одной из цепей. Эти двуцепочечные фрагменты связываются с магнитными шариками, покрытыми стрептавидином. Теперь можно разрушить связи между двумя цепями, и тогда в растворе окажется нужный одноцепочечный фрагмент в чистом виде, а вторая цепь, через биотин и стрептавидин связанная с шариками, останется в осадке.

Для примера учёные собрали несколько фигур. При помощи разработанной ими самими программы они смоделировали необходимые фрагменты ДНК, а затем синтезировали и выделили одноцепочечные молекулы описанным выше способом. Можно заметить, что Т-образная структура не очень удалась: её верхушка и основание лишь в 27% случаев соединяются под углом, близким к прямому. Исследователи считают, что такие искривления происходят из-за того, что длинная крышечка состоит всего из трёх спиралей ДНК. Этот недостаток был учтён: в U-образных фигурах все элементы состоят из 4-х спиралей, и уже 45% фигур имеют рассчитанную форму. При этом основание буквы чуть-чуть выпирает за вертикальные ушки. Это почти не бросается в глаза, зато позволяет обеспечить форму фигуры. Совсем сложная фигура в форме буквы «B» удалась так и вовсе на славу. Здесь опять использован метод «выпирающих краев», который позволяет создать прямой угол.

В результате из созданных структур удалось сложить название университета авторов работы: «BYU», а работа «Polymerase chain reaction based scaffold preparation for the production of thin, branched DNA origami nanostructures of arbitrary sizes» была опубликована в журнале Nano Letters.

Но касаясь данной темы, нельзя не упомянуть об относительно недавней, но уже нашумевшей новости. Речь пойдёт о том, как с помощью метода ДНК-оригами собрали самую маленькую копию «Джоконды».

С помощью данного подхода на основе технологии ДНК-оригами, разработанного американскими биохимиками и заключающегося в методе получения изображений нанометрового разрешения площадью до 0,5 квадратных микрон, в частности, удалось получить самое маленькое в мире изображение Джоконды. Об этом также написали и ученые в статье, опубликованной в Nature.

Как уже упоминалось выше, благодаря образованию комплементарных связей между отдельными участками небольших молекул ДНК, с помощью данного метода из них можно получать системы заданной формы и с нужным расположением функциональных участков. Так вот, чтобы увеличить площадь изображений на основе ДНК-оригами, группа американских биохимиков из Калифорнийского технологического института под руководством Лулу Цяня, разработала методику «фрактальной сборки», которая позволяет соединять небольшие элементы таких ДНК-изображений в большие двумерные массивы. В своей работе авторы предложили алгоритм, который позволяет определять последовательность основной молекулы ДНК и «скрепок», которые складывают ее в нужную форму для того, чтобы получить заранее заданное изображение.

Для получения единичного элемента изображения авторы работы использовали методику, предложенную еще в 2006 году. С помощью нее ученые смогли получить квадратный элемент со стороной меньше 100 нанометров, состоящий из 22 небольших участков ДНК, соединенных между собой благодаря заданной последовательности нуклеотидов и наличия специальных скрепляющих элементов. В нужных местах к ним прикреплялись метки, которые потом можно с помощью атомно-силового микроскопа увидеть в виде пикселя. В результате один элемент изображения состоял более, чем из 100 пикселей, правда, немного неравномерно распределенных по площади (в середине такого элемента находилась небольшая пустая область).

Чтобы получить полное изображение, из таких элементов биохимики собирали массивы размером 8 на 8, суммарно состоящие из 8704 пикселей. Чтобы сшить ячейки между собой, авторы работы предложили еще два вида «скрепок», аналогичных тем, которые скрепляют цепочки ДНК внутри одной ячейки. Между ячейками располагались длинные соединяющие элементы, а на тех краях, которые не должны соединяться с другими ячейками, находились «концевые скрепки», не способные образовывать соединений. Изображения таких ДНК-картин ученые получали с помощью атомно-силовой микроскопии.

С помощью предложенного алгоритма ученые смогли получить изображение Джоконды на квадрате со стороной в несколько сот нанометров, а также изображения петуха, бактерии, электрической схемы и шахматной доски с фигурами.

Авторы работы предполагают, что разработанную ими технику можно использовать и для присоединения белков, других полимерных молекул или наночастиц, создавая таким образом молекулярные машины заданной структуры или электрические наноцепи.

К слову, ДНК-оригами — не первая технология, с помощью которой ученые получили микроскопическое изображение Джоконды. Недавно похожую картинку ученые получили, используя для этого массив квантовых точек. Правда разрешение такой картины составило около одного микрона.

P.S. на анимации ниже показана макроскопическая визуализация процесса фрактальной сборки элементов ДНК-оригами с помощью деревянного паззла.

Комментарии: