Зайче оригами, направено от ДНК

Изследователите са разработили метод за изграждане на малки структури от ДНК въз основа на 3-D многоъгълни форми, създадени с компютър. Веригата на „скелето“ на ДНК е в бяло, а „основните“ нишки на ДНК са оцветени. Снимката е предоставена с любезното съдействие на Björn Högberg

Зайчето с цвят на бонбон по-горе изглежда достатъчно добре за ядене, но не е остатък от Великден. Това е 3-D отпечатан модел на микроскопична структура с форма на заек, направена изцяло от ДНК. Увеличена снимка на тази малка структура (която е дълга 50 нанометра) се появява по-надолу. Можете ли да различите формата му на памучна опашка?

В продължение на малко повече от 30 години учените експериментират с ДНК за изграждане на наноструктури, вариращи от прости двуизмерни листове до по-сложни форми като октаедри, звезди и дори усмихнати лица .

„Удивителното е, че ДНК може да функционира едновременно като молекула за съхранение на информация, но също така може да функционира като нещо като градивен елемент на Лего“, казва Шон Дъглас, който работи върху ДНК нанотехнологиите в неговата лаборатория в Калифорнийския университет, Сан Франциско (той не е участвал в работата със зайчетата).

Наистина, много от чертите, които правят ДНК полезна в природата, са подходящи за наномащабен строителен материал. Например, нишките на ДНК ще се сглобят сами в разтвор, благодарение на комплементарното сдвояване на основите. Освен това нуклеиновата киселина може да се свързва с други молекули, като протеини, „което й позволява да служи като скеле за сложни наномашини“, според a 2010 статия появяващ се в Природата . С други думи, учените могат да залепят неща върху ДНК, които я приспособяват към определени задачи.

Екипът, който създаде заека, използва техника за манипулиране на ДНК, наречена ДНК оригами, която беше описан за първи път през 2006 г . Накратко, методът включва сгъване на дълга част от едноверижна ДНК в предварително проектирана форма с помощта на по-къси нишки - наречени 'скоби' - които се свързват с допълващи се последователности на по-дългата нишка, като ефективно я 'закрепват' на място.

Но изследователите добавиха обрат към този подход, заимствайки идеи както от компютърната графика, така и от теорията на графите.

Докладване в а скорошно издание на Природата , те използваха 3-D софтуер, за да създадат първо форми, известни на езика на CG като „мрежи“. (По принцип мрежата е поредица от многоъгълници, залепени заедно, за да образуват фигура, която предава триизмерност. Картина a Статуетка от кристал Сваровски , и така изглежда мрежата на зайчето. Вижте снимката по-горе.)

След това те използваха алгоритъм, за да разберат как една верига от ДНК може да бъде насочена по всеки ръб на мрежата. За да разработят алгоритъма, те използваха математическа концепция, известна като a Ойлерова верига , което е верига, която докосва всеки ръб на многостранна форма само веднъж.

Ако при проучването на дадена мрежа алгоритъмът не можеше да намери маршрут, който не е бил пресечен, той откриваше кои ръбове да удвои обратно, което би довело до минимално количество припокриване. След като беше определен целият маршрут, софтуерът го попълни с последователността на избраната ДНК верига. (Те използваха ДНК от бактериофаг с известна последователност.)

Последните стъпки включват дефиниране на 'основните' ДНК вериги, които ще държат дългата верига заедно в ключови области; поръчване на тези вериги от компания за синтез на ДНК; и хвърляне на дългата с късата заедно в разтвор, за да им позволи да се сглобят сами.

Това, което се материализира, бяха 3-D наноструктури, които, когато се гледат под микроскоп, всъщност наподобяваха мрежата на зайчето, както и няколко други форми, които изследователите бяха проектирали, включително бутилка и размахващ се стик. (За протокола, зайчето не е избрано по прищявка: то се основава на експериментален модел, който обикновено се използва при тестване на компютърни графични техники, известен като „ Станфордско зайче ”, за университета, където изследователите за първи път са го разработили. Самият модел е базиран на заек от теракота.)

Наноструктурните форми са „по-раздути и отворени“ от предишните, проектирани чрез ДНК оригами, казва Бьорн Хьогберг, доцент в Karolinska Institutet в Стокхолм, Швеция, който ръководи работата. „Това, което хората правеха по-рано, беше да правят 3-D структури, които приличаха малко повече на твърди тухли“, казва той – т.е. подреждането на ДНК, свързано като трупи на Линкълн, докато тези по-нови структури са по-скоро като клетки.

Типът ДНК конформация, който изследователят решава да използва в наноструктура, „зависи от това за какъв тип приложение искате да използвате оригами структурите“, казва Хьогберг.

Докато зайчето и др. са по-доказателство за концепцията, потенциалните приложения за ДНК наноструктури като цяло са разнообразни. Екипът на Högberg, например, изследва клетъчната комуникация, като прикрепя протеини в различни модели върху ДНК оригами скелета и ги излага на клетки от рак на гърдата. И е възможно известно време в бъдеще ДНК наноструктура да побере лекарство и след като разпознае целеви клетъчен протеин в тялото, да го освободи.

ДНК е вид „молекула на суперзвезда“, казва Дъглас. Има още много неща, които може да направи сега, когато зайчето е извън шапката.