Спасибо, что вы с нами!

Жизнь сложится

Как сделать оригами из ДНК

За последние полвека в глазах многих молекула ДНК приобрела практически сакральный статус. Но времена меняются, и сегодня главная молекула жизни, еще недавно окутанная ореолом тайны, становится одним из самых перспективных материалов для конструирования нанообъектов. Теперь ДНК не только носитель информации, но и полноценный строительный материал.
Добавить в закладки
Комментарии
...

Точная сборка наноструктур остается вожделенной мечтой нанотехнологов. В принципе мы уже умеем оперировать отдельными атомами, выкладывая из них простенькие слова или геометрические фигуры. Вот бы научиться так же легко собирать из атомов молекулы. К сожалению, пока это выше наших сил. Да, мы уверенно перетаскиваем с места на место молекулы и даже некоторые химически малоактивные атомы вроде ксенона или золота. Но вот как замкнуть химические связи между более активными и привычными нам атомами вроде углерода или азота, собрав из них молекулы, остается решительно непонятным. И даже если мы решим этот вопрос, есть и другой — длительность сборки.

Проблема до обидного проста — в состав вещества входит слишком много атомов. Допустим, мы решили собрать 12 граммов углеродных нанотрубок идеального качества, так необходимых нам для постройки космического лифта. 12 граммов такого высокотехнологичного троса содержит 6,02*1023 (число Авогадро) атомов углерода. Пусть наш гипотетический суперпроизводительный атомно-силовой нанопринтер будет ставить на место по миллиону атомов в секунду. Это много, но допустим, что мы научились проводить кучу одинаковых операций параллельно. Тогда на изготовление упомянутого куска уйдет 6,02*1017 секунд, то есть примерно 19 миллиардов лет. Столько мы ждать явно не сможем.

Можно, конечно, пытаться собирать материалы из более крупных блоков, нежели атомы. Тем более что в технологиях 3D-нанопринтинга в последние годы наметился определенный прогресс. Но что если в очередной раз обратиться за вдохновением к природе?

Конечно, биологические материалы обладают специфическим набором свойств, и орбитальный лифт из них не построишь — явно не дотягивают по прочности. Но зато сколько мест их применения может найтись в медицине и биотехнологиях! И, конечно, главное их преимущество в том, что они способны к самосборке. Особенно привлекательна в этом контексте ДНК.

ДНК кажется чуть ли не идеальным материалом для самособиращихся наноструктур. Уотсон-Криковские пары — те самые знаменитые А-Т и Г-Ц — делают взаимодействие цепей молекулы ДНК точным и легко предсказуемым. Нуклеотиды из комплиментарных пар соединяются водородными связями, теряющими свою стабильность при повышении температуры. Поэтому всем молекулярным биологам известно, что двуцепочечная ДНК по достижении определенной температуры начинает расплетаться (плавиться), переходя в одноцепочечную форму. При понижении температуры в обратную сторону отдельные цепи, наоборот, замыкают водородные связи между комплементарными основаниями, снова формируя двойную спираль. При этом, если цепь ДНК не слишком длинная, способ замыкания водородных связей довольно легко предсказать. Так что мы можем создать искусственные одноцепочечные молекулы ДНК (полинуклеотиды), а затем подобрать режим нагрева и охлаждения, позволяющий собираться им нужным способом.

В идеале вся сборка нашей ДНК-поделки должна напоминать варку супа. Мы смешиваем наши молекулы в одном растворе, нагреваем его до 94—98 °C, разрушая водородные связи между ними и заставляя ДНК-цепи отлипнуть друг от друга. После охлаждаем согласно рецепту, позволяя участкам комплементарности молекул находить друг друга и связываться нужным образом. Ничто не мешает одновременно проводить этот процесс сразу со многими тысячами молекул в одной капле раствора, получая в течение минут целую армию нанороботов. Ну или хотя бы просто россыпь нанокубиков.

Помимо этого у ДНК-инженерии есть еще куча других достоинств. Параметры двойной В-спирали ДНК отлично изучены — сегодня их вам назовет любой старшеклассник из биокласса. К тому же ДНК обладает очень привлекательным сочетанием относительной жесткости и упругости, то есть она хорошо сохраняет свою форму и одновременно неплохо гнется. А главное, ДНК абсолютно биосовместима — иммунная система ее просто не замечает. Попадая в организм, ДНК со временем просто разваливается на части. Ну и, конечно, сегодня в распоряжении ученых есть до неприличия широкий набор методов работы с ДНК — молекулярные биологи славно потрудились за прошедшие полвека.

Кристаллография, ДНК, Эшер

Одним из первых исследователей, осознавших все это, стал американский кристаллограф Надриан Симан. Волею судьбы в один из периодов своей карьеры он возился с моделированием структуры Холидея — это крестоподобное образование из четырех нитей ДНК возникает во время обмена участками между гомологичными хромосомами при образовании половых клеток или восстановлении ДНК после значительных повреждений. В сентябре 1980 года Симэн отправился в паб — для того чтобы поломать голову над о холидеевскими структурами, и попутно задумался о кристаллизации белка — вечной экзистенциальной проблеме всех кристаллографов. В этот момент ему вспомнилась картина «Глубина» Маурица Эшера. Рыбы в ней выстраивались в бесконечную кристаллическую решетку и были ужасно похожи на структуру Холидея. По признанию Симана, эта аналогия и подтолкнула его к пониманию того, что ДНК-структуры наподобие холидеевской могут формировать трехмерную периодическую решетку. Такую решетку, например, можно было бы использовать в качестве своеобразных «тисков» для белков, никак не поддававшихся усилиям кристаллографов рассмотреть их при помощи рентгеноструктурного анализа.

Мориц Эшер, «Глубина». Литография, 1955 год

Однако этим размышлениям было суждено еще долгое время оставаться на бумаге — технологии 80-х годов просто не позволяли синтезировать нуклеотидные цепи достаточной длины. Но уже к началу 90-х эти проблемы были преодолены, а сам Симан взялся за написание компьютерных алгоритмов подбора последовательностей нуклеотидов (сиквенсов), подходящих для их самосборки в организованные структуры.

Вскоре им были получены ДНК-кубы нанометрового размера, собранные из сравнительно коротких цепей ДНК (олигонуклеотидов). При этом использовался довольно замороченный, многостадийный протокол сборки, очистки и последующего ковалентного сшивания структуры ферментами ДНК — лигазами. Но это было еще не оригами: сшивание цепей ДНК лигазами — это практически суперклей.

Вскоре стало понятно, что, сплетая одинаковые цепи ДНК среднего размера, можно собирать очень крупные структуры, но их сложность и разнообразие сильно ограничены, а сборка чересчур сложна. Оказалось, что бОльшие возможности открываются, если мы разделим цепи ДНК по конструкционным функциям: пусть длинная цепь будет выполнять роль строительного материала, а короткие будут работать как скрепки, «прихватывая» каркас в нужных местах.

Впервые этот подход был применён в 2004 году для сборки объемного октаэдра из цепи ДНК длиной около 1700 нуклеотидов. Но настоящий переворот произошел два года спустя, когда увидела свет статья Пауля Ротмунда. В ней он впервые предложил единый и достаточно универсальный метод построения ДНК-структур: длинная «каркасная» цепь ДНК укладывается петлями. Петли прошиваются короткими ДНК-скрепками, которые сплетаются в двойные спирали с «каркасной» цепью. Изменяя длину таких ДНК-петель и количество «скрепок», можно создать практически любые формы. В качестве «каркасной» ДНК Ротмунд использовал одноцепочечную геномную ДНК бактериофага М13, отлично культивируемого в лабораторных условиях. А короткие ДНК-скрепки можно заказать по сходной цене в любой фирме, занимающейся синтезом олигонуклеотидов.

Ротмунд назвал придуманную им технику ДНК-оригами, потому как при сборке не применяются ни разрезы цепей ДНК ферментами-рестриктазами, ни их «склейка» лигазами. Структура складывается из длинной цепи ДНК без «ножниц» и «клея», как настоящая оригами. Первым делом Ротмунд сложил с помощью новой технологии кучу наносмайликов, нанозвездочек, нанотреугольников и прочих милых сердцу биолога безделушек. Сверх того, выяснилось, что на двумерном ДНК-полотне можно вышивать слова и рисунки с помощью ДНК-петель — размер «пикселя» такого наногобелена составлял всего шесть нанометров. А главное, все эти структуры оказались способными к одностадийной самостоятельной сборке после смешения всех компонентов в растворе.

От безделушек к механизмам

Следующим шагом стало получение методом оригами объемных ДНК-структур, что было сделано группой Уильяма Шина в 2009 году. Оказалось, что, складывая плоские ДНК-листы в несколько слоев, можно получить кучу самых разных объемных форм. С таким материалом уже можно было думать о самособирающихся нанороботах. За последние 10 лет были построены десятки таких конструкций. О некоторых из них мы расскажем чуть подробнее.

Примеры структур, собранных в лаборатории Шина / Caltech / youtube

Например, работа, попавшая в прошедшем январе на обложку журнала Science, посвящена созданию управляемого наноманипулятора, созданного по технологии ДНК-оригами. Из ДНК была собрана 55-нанометровая платформа, в центре которой установлена рука-манипулятор, состоящая из связки ДНК-спиралей. Но самое интересное, что направление поворота такой ДНК-руки можно задавать внешним электрическим полем с высочайшей точностью.

Тут нам самое время вспомнить, что ДНК — это дезоксирибонуклеиновая кислота и в водном растворе она превращается в молекулу-полианион, несущую множество отрицательных зарядов на своем сахаро-фосфатном остове. Прикладывая к раствору электрическое поле, мы можем заставить ДНК двигаться к положительно заряженному электроду (именно этот принцип реализуется в классическом методе разделения ДНК гель-электрофорезом).

Так, меняя направление ионного тока через раствор, мы управляем и положением манипулятора, создавая на нем усилие порядка 10—20 пиконьютонов в интервале нескольких миллисекунд. В теории это дает возможность точно и быстро перемещать отдельные молекулы в пространстве, что, как уверены авторы, может стать более дешевой и производительной альтернативой атомно-силовой микроскопии, а возможно, и подспорьем для создания технологии 3D-нанопечати.

Схематическое изображение деятельности наноманипулятора / Science Magazine / youtube

Еще одна работа с участием ДНК-оригами вышла в одном из февральских номеров Nature. Команде исследователей удалось осуществить на практике одну из классических концепций применения нанороботов: они создали ДНК-бота, точечно блокирующего кровеносный поток в раковой опухоли.

Создание такого нанобойца начинается со сборки ДНК-полотна размера 90×60×2 нм из уже знакомого нам генома фага M13 и олигонуклеотидов-скрепок. После этого к одной из сторон получившегося прямоугольника пришиваются несколько субъединиц белка тромбина. В среднем каждому полотнищу достается по четыре таких белка. Тромбин — это один из ключевых компонентов системы свертывания крови. Попадая в кровь, он тут же начинает разрезать растворимый белок фибриноген, превращая его в нерастворимый фибрин. Фибрин-то и образует в сосуде трехмерную сеть — основу будущего тромба.

По задумке ученых, этот драматический сценарий должен разыграться в сосудах раковой опухоли и перекрыть ей доступ к питательным веществам. Но наш биоробот еще должен каким-то образом добраться до опухоли в теле пациента. Поэтому на следующем этапе ДНК-лист скручивается в трубочку и фиксируется за счет специального ДНК-замка, а субъединицы тромбина оказываются изолированы внутри.

ДНК-трубки могут спокойно плавать по кровотоку пациента. ДНК-замок, удерживающий всю конструкцию, состоит из двух цепей. Одна из этих цепей способна к молекулярному распознаванию. В растворе она может связываться с белком нуклеолином, характерным именно для кровеносных сосудов опухоли, но никогда не встречающимся на поверхности нормальных сосудов. Связываясь с этим белком, ДНК-замок напрочь теряет связь со второй половиной застежки, и более не сдерживаемый замком лист раскрывается, выставляя субъединицы тромбина наружу и открывая им доступ к фибриногену, в избытке плавающему вокруг.

В итоге в опухоли образуется тромб, нарушающий ее кровоснабжение и потому замедляющий рост. В опытах на иммунодефицитных мышах с привитыми человеческими опухолями ДНК-нанороботы продлевали грызунам жизнь на несколько десятков дней, что по мышиным меркам — ну очень хороший результат.

И немного воображения

Перед исследователем, взявшимся за создание ДНК-структуры, встает еще более сложный вопрос: как ее спроектировать. Ведь трехмерный ДНК-робот собирается по сложнейшей двумерной развертке, при дизайне которой необходимо учесть сотни, а то и тысячи взаимодействий между нуклеотидами в трехмерном пространстве. И тут на помощь в решении этой обескураживающе сложной задачи приходят биоинформатики. Крайне полезной для создания ДНК-оригами работой недавно отметились российские исследователи, создав программу для компьютерного моделирования ДНК-структур.

— Проектирование сложной трехмерной конструкции в виде двумерных разверток требует недюжинного пространственного воображения, которого, к сожалению, как правило, лишены биологи, — говорит Артур Залевский с факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ, один из соавторов работы. — В помощь им мы решили разработать инструмент, который позволит быстро проверить, действительно ли способен нарисованный ими проект свернуться в задуманную структуру. Дополнительным бонусом стало то, что, используя нашу крупнозернистую модель, можно также оценить, как вся конструкция будет вести себя в реальной жизни и какие конфигурации принимать.

Сложность и трудоемкость сборки наномеханизмов методом «сверху-вниз» кажутся непреодолимым препятствием к массовому внедрению нанотехнологий. Но переход к созданию самособирающихся систем способен радикально решить эту проблему, и ДНК кажется идеальным материалом для подобного инженерного решения. Что же, ДНК-структуры абсолютно биосовместимы, легко направляются электрическим полем и даже отчасти способны выполнять функции молекулярного распознавания. Так что можно наверняка сказать, что в очень скором будущем первыми практическими приложениями ДНК-оригами станут медицина и биотехнологии. И скорее всего, это будущее не заставит себя долго ждать.

Добавить в закладки
Комментарии
...
Вам понравилась публикация?
Расскажите что вы думаете и мы подберем подходящие материалы