Инженеры из Пенсильванского университета создали подвижные нанопленки, работающие на основе специфической гибридизации молекул ДНК. Управлять их движением можно, добавляя к ним цепочки ДНК, комплементарные ДНК, входящей в состав пленки. Статья опубликована в журнале Nature Nanotechnology.
Молекула ДНК состоит из двух цепей, на каждой из которых находятся азотистые основания четырех типов: тимин, аденин, цитозин и гуанин. Азотистые основания обеспечивают связь между цепями, которая осуществляется по принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, а гуанин — с цитозином. Такое специфическое связывание (специфическая гибридизация) цепочек ДНК может использоваться для создания механизмов, меняющих форму в ответ на воздействие молекул ДНК и приводящих в движение различные микроскопические устройства.
Авторы статьи продемонстрировали работу этого принципа на примере созданных ими тонких пленок, которые состоят из золотых наночастиц, соединенных друг с другом мостиками из одноцепочечных молекул ДНК. Эти пленки состоят из нескольких слоев, каждый из которых образован мостиками ДНК с разными последовательностями. При добавлении ДНК, комплементарной каким-либо из этих последовательностей, в содержащий пленку раствор она меняет форму: сгибается, сворачивается или даже переворачивается. Это происходит за счет специфической гибридизации молекул ДНК, встроенных в пленку, с молекулами ДНК, добавленными в раствор. Двухцепочечная ДНК всегда длиннее одноцепочечной молекулы с тем же числом оснований, поскольку двухцепочечная ДНК более жесткая, а одноцепочечная — более гибкая. И хотя при растягивании одноцепочечная молекула ДНК будет длиннее двухцепочечной, в растворе она спутывается и становится короче. В результате при образовании двухцепочечной ДНК мостик в пленке удлиняется, а материал пленки расширяется. При этом нужно отметить, что такое свойство ДНК можно использовать только для расширения материала пленки, но не для его сжатия.
Движения пленки и ее частей можно контролировать, добавляя к ней молекулы ДНК с различными последовательностями, комплементарными различным участкам пленки. Например, если добавить молекулы ДНК, комплементарные одному слою пленки, то пленка свернется в «рулон». Авторы предусмотрели также способ вернуть такой свернутой пленке исходную форму. Для этого они оставили у молекул ДНК, которые при добавлении в раствор приводят к сворачиванию пленки, «хвостики», некомплементарные ДНК-мостиками внутри пленки. При добавлении к свернутой пленке молекул ДНК, комплементарных этим «хвостикам», формируются новые двухцепочечные молекулы, которые разрушают старые связи. Комплементарные мостикам молекулы ДНК отрываются, мостик снова становится коротким, и пленка возвращается к исходной форме.
По словам авторов, уникальность таких пленок заключается в их высокой специфичности. В отличие от устройств, реагирующих на изменения температуры или кислотности, пленки реагируют только на определенные последовательности ДНК, комплементарные входящим в их состав мостикам, и игнорируют все другие молекулы ДНК. В будущем такие пленки можно будет использовать, например, во внутриклеточных диагностических устройствах, которые будут сообщать об изменениях экспрессии генов.
Принцип комплементарности ДНК лежит также в основе ДНК-оригами — техники, позволяющей создавать из длинных молекул ДНК нанообъекты с запрограммированными свойствами: формой и расположением функциональных участков. Эта техника использовалась, например, для преодоления лекарственной устойчивости рака крови, создания молекулярных «клиньев», способных сближать и удалять молекулы на заданное расстояние с точностью до 0,4 ангстрем, и разработки нанороботов, которые позволяют управлять доставкой лекарств силой мысли.
Софья Долотовская