Замки шкатулок из днк отпираются генетическими ключами
Прямоугольные полые коробочки с подвижными крышками на петельках, ключами и замками — таково новое достижение современных Левшей. Но, к острому глазу и ловкости рук новинка не имеет никакого отношения. По причине того, что ни одним инструментом такие изделия не вырезать: коробочки-то по размеру сопоставимы с вирусами.
Как же их собрали? А никак — они сами собрались.
42 х 36 х 36 нанометров — таковы размеры шкатулок, изготовленных интернациональной группой исследователей, которую управляет Йорген Кьемс (Jorgen Kjems) из университета молекулярной биологии университета Орхуса (Molekyl?rbiologisk Institut) и датского национального центра ДНК-нанотехнологий (CDNA).
Дабы долгие цепи ДНК собрались в желаемую форму, исследователи применяли естественную «тягу» этих молекул к формированию двойных спиралей и скручиванию (сгибанию) участков цепи в зависимости от присутствия и конкретной последовательности оснований в тех либо иных местах комплиментарных молекул.
А правильнее: учёные решили перепроектировать генетическую последовательность, забранную у фага, для получения цепочки с желаемыми особенностями. Для этого они создали целую программу, которая машинально образовывает последовательность генетических «буковок», исходя из намеченной формы будущего изделия.
Та же программа подбирает к данной «выкройке» и «скрепки-заколки» — порядка 250 олигонуклеотидов, каковые за счёт сил межмолекулярного сотрудничества должны вынудить громадную ДНК сложиться, как будто бы оригами.
«Поразительно, что это трудится, — говорит Кьемс. — Это как разобрать машину на подробности, по окончании чего поместить все гайки и болты в мешок, встряхнуть его, и машина сама соберётся обратно».
Все стены коробочек составлены из последовательно сложенной единой нити ДНК. Исследователи говорят, что самая непростая часть работы – верно составить генетическую последовательность.
Дальше авторы необходимые олигонуклеотиды у поставщиков, смешивали их в растворе с долгими нитями ДНК, сгенерированными много «подневольными» вирусами, и замечали.За час либо два армия олигонуклеотидов сшивала ДНК в плоские страницы, а после этого составляла их по шесть совместно, формируя коробку с крышкой. Да несколько. За один раз в пробирке образовывались сходу миллиарды таких ящичков.
Слева продемонстрированы кое-какие из них, отснятые при помощи криоэлектронной томографии, справа – схема коробочки (фото Ebbe S. Andersen, Aarhus University, иллюстрация с сайта cdna.dk).
Фактически, обрисованный способ так и именуется — «ДНК-оригами» (DNA origami).
Подобную самосборку цепочек «молекул судьбы» в спроектированные структуры не первый год изучают пара научных групп в различных государствах. Подробности работ разнятся, но неспециализированный подход похож. И уже ранние удачи на этом поприще впечатляли: к примеру, в 2006-м американские учёные собрали из ДНК карту миллиардов и 50 Америки смайликов.
Но то были двухмерные композиции.
Задаёте вопросы, что положить в такие шкатулки? Мыслите шире! При помощи ДНК-оригами возможно создавать чуть ли не каждые наномеханизмы с программируемыми особенностями – уверен Йорген Кьемс, разместивший вместе с соавторами статью о собственном достижении в Nature (фото с сайта rnai.dk).
Позднее кое-какие лаборатории продемонстрировали и первые трёхмерные «скульптуры» из ДНК. Но несколько Кьемса не просто вышла в 3D. Её изделие отличают от предшественников твёрдость (либо наличие) и жёсткость стенок подвижных подробностей.
«Это достаточно прекрасные молекулярные структуры, — прокомментировал работу сотрудников доктор наук Джон Райф (John Reif) из университета Дюка. — И это первая наноструктура, которая имеет программируемую и контролируемую крышку».
Защёлки на крышке — это пара дополнительных маленьких цепочек ДНК. Они закрепляются на одном из рёбер шкатулки, удерживая крышку в закрытом состоянии. Дабы открыть её, необходимо добавить к замочкам новые ДНК-фрагменты — совершенно верно подходящие ключи.
Их сотрудничество с замками ведет к распахиванию коробочки.
На том же ребре (правильнее — на краю крышки и на краю прилегающей к ней стены) исследователи поместили флуоресцентные маркеры — молекулы красителя, каковые светятся красным, в то время, когда находятся вблизи друг от друга, и зелёным — в то время, когда расходятся на некое расстояние. Это разрешает состояние шкатулки (открыта либо закрыта), замечая за свечением индикатора в микроскоп.
На данной схеме ДНК-коробки оранжевым и синим цветами продемонстрированы замки, и ДНК-ключи, отпирающие их. Звёздочка – меняющий цвет флуоресцентный маркер, сигнализирующий о подъёме крышки (иллюстрация Ebbe S. Andersen, Aarhus University).
В таковой коробочки может поместиться одна рибосома — фабрика по производству белков. Либо в том месте возможно разместить комплект лекарственных препаратов, либо маленький вирус. А основное — выпуском этих «сокровищ» в нужной части тела смогут управлять те самые замки, настроенные на касание определённых биомаркеров — молекул на поверхности раковых клеток, к примеру.
Либо замки, настроенные на открытие в присутствии определённых белков (синтезируемых вирусами, заразившими больного).
В общем, программируемая ДНК-шкатулка — заманчивый метод точечной доставки каких-либо лечебных средств, от химических препаратов до генетически модифицированных объектов.
Программа, созданная в CDNA, знает, какие конкретно молекулы, составляющие ДНК, притягиваются друг к другу, а какие конкретно – отталкиваются. Человек закладывает в машину желаемую форму наноизделия, а компьютер подбирает последовательность, которая сворачивалась бы подобающим образом (иллюстрация с сайта cdna.dk).
Пол Роземунд (Paul Rothemund) из Калифорнийского технологического не учавствовал в нынешней работе, но есть одним из пионеров в области ДНК-оригами (те самые 50 миллиардов смайликов — его рук дело). Пол с интересом воспринял достижение сотрудников и подчернул, что настоящая трудность содержится не в проектировании объекта, а в доказательстве, что он удачно организован, для чего нужно использовать разные способы визуализации.
«Сотрудники совершили весьма убедительную работу, свидетельствующую о том, что они вправду сделали то, о чём сообщили. Это принципиально важно, — говорит Пол. — А сейчас они свободны и постараются создать и взять в действительности что-то необыкновенное».
В один момент Роземунд увидел, что транспортные возможности шкатулок ещё необходимо будет проверить. Вправду ли они герметично закрываются, какие конкретно молекулы (объекты) они способны подолгу удерживать в себе? На эти вопросы до тех пор пока нет ответов.
Так же как на вопросы: что будет происходить с ящичками не в пробирке, а в тела, как продолжительно они будут в том месте оставаться, надёжны ли они для организма?
В прошедшем сезоне несколько учёных из Дании (включавшая всё того же Кьемса) выстроила при помощи собственной уникальной программы микроскопического дельфина. Очевидно, из свёрнутой цепи ДНК.
Причём исследователи продемонстрировали, что их софт разрешает вручную редактировать проект, меняя режим полимеризации биомолекул, тем самым задавая угол отклонения дельфиньего хвоста.Вверху продемонстрирован условный проект, внизу – настоящие ДНК-дельфины, отснятые при помощи ядерного силового микроскопа. Кстати, дельфины нарисованы на фирменном символе университета Орхуса, где и трудится Кьемс. Как тут не отыскать в памяти ДНК-герб Кембриджа (фото Ebbe Sloth Andersen et.al.).
В случае если ответы окажутся удобными — возможности раскрываются большие. Программируемые крышки придают ДНК-шкатулкам неповторимые особенности. По словам Пола, никакие другие узнаваемые схемы нанокапсулирования не дают людям таких возможностей.
А Кьемс додаёт, что число разных замков, каковые возможно приложить к одной таковой коробочке, возможно довести до восьми, тем самым усложняя условия открытия шкатулки на месте событий.
Но транспорт в организма — не единственное вероятное приложение ДНК-коробок. По словам Йоргена, из таких шкатулок, по идее, возможно собрать целый ДНК-компьютер. Так как крышки с их сдвоенными замками, реагирующими на определённые ДНК-ключи, причём раскрывающиеся лишь в присутствии двух определённых молекул (как сейф с двумя личинками), являются готовые логические устройства, из которых возможно собирать вентили НЕ, Либо и без того потом.
Самосборка таких комплексов, легко «высыпанных» в раствор, завораживает. На что ещё у людей дотянется фантазии? «Вот на данный момент вправду пора начать думать, для чего вы имеете возможность применять эту разработку», — радуется Кьемс.
