Из «ДНК-лего» сделали полости в форме плюшевых мишек

Химики улучшили методику сборки ДНК-оригами из отдельных небольших деталей и получили cложные трехмерные объекты, содержащие до 30 тысяч деталей. В таких структурах можно делать полости заданной формы, которая варьируется от геликоида до плюшевого медведя, пишут ученые в Nature.

Сборка сложных структур заданной геометрии из молекул ДНК и РНК с помощью методики ДНК-оригами позволяет создавать функциональные объекты, которые уже сейчас пытаются использовать в структурной биологии, биофизике и фотонике. С помощью комплементарных связей участки нуклеиновых кислот можно сшивать между собой или присоединять к ним функциональные полимерные молекулы или неорганические частицы. Благодаря этому с помощью ДНК удается получать как сложные двумерные системы, например изображения картин, так и трехмерные объекты, которые образуются в результате самосборки.

С помощью традиционной методики ДНК-оригами можно получать системы из сотни нуклеотидов, и их молекулярная масса составляет несколько мегадальтон. Собирать такие системы довольно сложно, поэтому для получения больших трехмерных систем используется модифицированная методика ДНК-оригами, при которой объект составляют из отдельных одинаковых элементов. Из-за наличия у этих элементов выступающих участков, их можно соединять друг с другом, как детали конструктора. В отличие от традиционных элементов ДНК-оригами, в таких ДНК-кирпичиках нет большого количества складок, и состоят они из коротких прямых участков нуклеотидов. Однако до настоящего момента с помощью такого подхода не удавалось объединить в единые структуры больше нескольких сот деталей.

Химики из США, Германии, Франции и Китая под руководством Пэн Иня (Peng Yin) из Гарвардского университета предложили усовершенствованный вариант таких ДНК-кирпичей, из которых с помощью самосборки можно получить довольно сложные трехмерные структуры. Один элемент состоит из двух относительно коротких цепочек ДНК (длиной 52 и 72 нуклеотида), которые комплементарно связаны между собой на участке из 13 нуклеотидов.

Выдерживая такие элементы в течение определенного времени в растворе соли при повышенной температуре, из них можно собирать сложные трехмерные структуры заданной геометрии, состоящие из нескольких десятков тысяч элементов. В частности, можно получать кубы правильной формы. Максимальная масса куба, который удалось собрать таким образом, составила почти полгигадальтона (что примерно в 100 раз больше массы наиболее сложных систем, собранных более традиционными методами ДНК-оригами). Такой куб содержит до 30 тысяч элементов. 

Кроме того, ученые показали, что изменяя состав нуклеотидов, можно получать кубические структуры с трехмерными полостями заданной формы: геликоида, надписей, фигурок кролика и плюшевого медведя. Для подтверждения работы метода, изображения объектов, полученные с помощью просвечивающей электронной микроскопии ученые сравнили с их трехмерными моделями.

По словам ученых, предложенная ими методика дешевле традиционного подхода ДНК-оригами, и в будущем может быть использована для получения и более сложные трехмерных объектов большего размера, например, с помощью иерархических методов сборки.

Для улучшения способности элементов ДНК к самосборке используются специальные скрепляющие элементы. Это могут быть как просто короткие цепочки из нескольких нуклеотидов, так и, например, специальные белковые скрепки, которые увеличивают устойчивость образующихся структур.

Александр Дубов