ДНК свернули в курносый куб

Ученые из Университета Аризоны усовершенствовали технологию ДНК-оригами (метод создания наноструктур из разных фрагментов ДНК) и научились получать из нуклеиновой кислоты многоугольники с произвольными углами между гранями. В том числе таким образом удалось создать  и производное ромбокубоктаэдра — курносый куб. Работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.

Новый подход отличается тем, что для создания ребер каркаса используется не две объединенные в спираль цепочки ДНК, а четыре, которые составляют две параллельные двойные спирали. Это позволяет будущим дизайнерам нанокаркаса использовать в его вершинах практически любое количество ребер — от двух до десяти. Основой для вершины при этом выступает одна циклическая цепочка ДНК, к которой присоединяются цепочки ребер (на рисунке циклическая ДНК показана светло-голубыми линиями с красными и малиновыми вставками). 

Благодаря новому подходу авторы работы смогли легко синтезировать как простые двухмерные каркасы (плоскости, разбитые на треугольники, квадраты или шестиугольники), так и фигуры без локальной симметрии в вершинах, такие как, например, мозаики Пенроуза. Ключевым для этого стала возможность точно управлять углами между ребрами, входящими в одну вершину. Для этого в цепочку ДНК, огибающую два соседних ребра, встраивается фрагмент из тиминовых остатков необходимой длины. Он выполняет функцию своеобразной «распорки».

Следующим усовершенствованием стала новая методика сборки объемных каркасов из их плоских разверток. Авторы разработали последовательность «склеивания» цепочек, которая привела к образованию кубоктаэдра — полуправильного многогранника из 8 правильных треугольников и 6 квадратов. Затем новую методику опробовали на более сложной конструкции — курносом кубе. Это сложный полуправильный многогранник, получаемый из ромбокубоктаэдра мысленным поворотом квадратных граней на небольшой угол.

Строение получившихся трехмерных объектов было подтверждено методом просвечивающей электронной криомикроскопии. Этот метод заключается в быстром замораживании раствора исследуемых объектов (например, белков) в воде и исследовании тонкой ледяной пластинки под микроскопом. Ученые получают сотни тысяч изображений — «теней» молекул — из которых восстанавливается 3D-структура.

Методика ДНК-оригами основана на «склеивании» комплементарных цепочек ДНК между собой: каждая из цепочек состоит из четырех типов букв — нуклеотидов, аденина (A), гуанина (G), цитозина (C) и тимина (T) — которые соединяются между собой только определенными парами, A с T, G с C. Зная последовательность букв в одной цепочке, можно подобрать к ней другие короткие цепочки, которые будут склеивать ее заранее известным образом в определенных местах. Таким образом можно, например, выложить из одной длинной нити ДНК плоскую фигуру.

Условная последовательность действий проста: мы берем раствор, содержащий в себе длинную исходную одноцепочечную молекулу ДНК и добавляем в него по очереди маленькие скрепки — олигонуклеотиды. Каждая следующая скрепка меняет форму исходной молекулы, все ближе приближаясь к необходимой. Самое главное в методе ДНК-оригами — разработать саму схему «склеивания» и «складывания».