Самую маленькую копию «Джоконды» собрали методом ДНК-оригами

Американские биохимики разработали метод получения изображений нанометрового разрешения площадью до 0,5 квадратных микрон на основе технологии ДНК-оригами. С помощью такого подхода, в частности, удалось получить самое маленькое в мире изображение Джоконды, пишут ученые в статье, опубликованной в Nature.

Благодаря образованию комплементарных связей между отдельными участками небольших молекул ДНК, с помощью метода ДНК-оригами из них можно получать системы заданной формы и с нужным расположением функциональных участков. Сейчас такую технологию пытаются применять для различных целей, например для доставки лекарств или создания молекулярных структур сложной формы. Если же к молекулам ДНК привязывать метки определенного состава, то с помощью ДНК-оригами можно получать и изображения с наноразрешением. Однако площадь таких изображений к настоящему моменту не превышала 0,05 квадратных микрона, и их разрешение тоже было очень невелико.

Чтобы увеличить площадь изображений на основе ДНК-оригами, группа американских биохимиков из Калифорнийского технологического института под руководством Лулу Цяня (Lulu Qian), разработала методику «фрактальной сборки» (fractal assembly), которая позволяет соединять небольшие элементы таких ДНК-изображений в большие двумерные массивы. В своей работе авторы предложили алгоритм, который позволяет определять последовательность основной молекулы ДНК и «скрепок», которые складывают ее в нужную форму для того, чтобы получить заранее заданное изображение.

Для получения единичного элемента изображения авторы работы использовали методику, предложенную еще в 2006 году. С помощью нее ученые смогли получить квадратный элемент со стороной меньше 100 нанометров, состоящий из 22 небольших участков ДНК, соединенных между собой благодаря заданной последовательности нуклеотидов и наличия специальных скрепляющих элементов. В нужных местах к ним прикреплялись метки, которые потом можно с помощью атомно-силового микроскопа увидеть в виде пикселя. В результате один элемент изображения состоял более, чем из 100 пикселей, правда, немного неравномерно распределенных по площади (в середине такого элемента находилась небольшая пустая область).

Чтобы получить полное изображение, из таких элементов биохимики собирали массивы размером 8 на 8, суммарно состоящие из 8704 пикселей. Чтобы сшить ячейки между собой, авторы работы предложили еще два вида «скрепок», аналогичных тем, которые скрепляют цепочки ДНК внутри одной ячейки. Между ячейками располагались длинные соединяющие элементы, а на тех краях, которые не должны соединяться с другими ячейками, находились «концевые скрепки», не способные образовывать соединений. Изображения таких ДНК-картин ученые получали с помощью атомно-силовой микроскопии. 

С помощью предложенного алгоритма ученые смогли получить изображение Джоконды на квадрате со стороной в несколько сот нанометров, а также изображения петуха, бактерии, электрической схемы и шахматной доски с фигурами.

Авторы работы предполагают, что разработанную ими технику можно использовать и для присоединения белков, других полимерных молекул или наночастиц, создавая таким образом молекулярные машины заданной структуры или электрические наноцепи.

ДНК-оригами — не первая технология, с помощью которой ученые получили микроскопическое изображение Джоконды. Недавно похожую картинку ученые получили, используя для этого массив квантовых точек. Правда разрешение такой картины составило около одного микрона.

Александр Дубов