Химики на порядок увеличили размер одноцепочечного ДНК-оригами

С помощью методики оригами нуклеиновых кислот химики собрали самые большие структуры с заранее заданной геометрией из одноцепочечных молекул — в частности, удалось собрать ромб, сердечко и смайлик. В результате усовершенствованного подхода удалось получить ДНК-структуры из 10 тысяч нуклеотидов и РНК-структуры из 6 тысяч нуклеотидов, сообщают ученые в статье в Science.

Структура нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) представляет собой цепочки, состоящие из нуклеотидов (аденин, цитозин и гуанин — в обеих кислотах, а также тимин, который встречается только в молекулах ДНК, и урацил — только в РНК). Из-за того, что нуклеотиды способны к образованию комплементарных связей друг с другом (гуанин — с цитозином, а аденин с тимином или урацилом), нуклеиновые кислоты способны формировать структуры двойной спирали, а также осуществлять процессы репликации, транскрипции и трансляции. Природу комплементарности связей химики решили использовать в методиках ДНК- и РНК-оригами для того, чтобы составлять из отдельных одиночных коротких участков молекул нуклеиновых кислот искусственные структуры заранее заданной формы и с нужным расположением функциональных групп, складывая полимерные цепочки и фиксируя эти складки с помощью специальных молекул-скрепок.

Обычно в оригами из нуклеиновых кислот используются молекулярные петли из довольно коротких цепочек, которые потом соединяются вместе в одну общую структуру размером в несколько десятков нанометров. Те же функциональные структуры, которые удавалось полностью собрать из одиночных молекул, содержали в себе только от 80 до 660 нуклеотидов. В одном из экспериментов удалось сложить в восьмиугольник цепочку сразу из 1669 нуклеотидов, но для этого использовались четыре вспомогательных, более коротких молекулы.

Группа химиков из США, Германии, Франции и Китая под руководством Пэн Иня (Peng Yin) из Гарвардского университета разработала методику, с помощью которой большие нанометровые структуры нужной геометрии можно собирать из всего одной длинной одноцепочечной (англ. single strand) молекулы нуклеиновой кислоты (в своей работе ученые рассмотрели и ДНК, и РНК).

В основе предложенного механизма лежит возможность обмена цепочками нуклеиновых кислот между двумя спиральными структурами, в которых две цепочки связаны комплементарным связями. Авторы работы использовали два различных механизма обмена (параллельный и антипараллельный), что позволяет дополнительно скреплять структуру молекулы в нужных местах и жестко фиксировать геометрию всей системы. Микроструктуру образованных систем из нуклеиновых кислот авторы исследовали с помощью атомно-силового микроскопа.

В результате авторам работы удалось собрать системы различных заданных заранее геометрий из одноцепочечной ДНК в 10 тысяч нуклеотидов и одноцепочечной РНК в 6 тысяч нуклеотидов. Геометрию полученных наноструктур размером от 10 до 30 нанометров авторы работы изменяли в довольно широких пределах: это могли быть треугольники, параллелограммы, круги и фигуры в форме сердечек.

Кроме того, в своей работе химики показали возможность прикреплять к молекулам нуклеиновых кислот функциональные группы в нужных местах. С помощью такого подхода, например, круглые ДНК-структуры превратили в смайлики.

Ученые отмечают, что системы, которые удается получать с помощью методики ДНК- и РНК-оригами уже значительно ближе к реальным приложениям. Авторы работы надеются, что предложенная методика из-за возможности воспроизведения в биологических условиях поможет получить одноцепочечные структуры, которые можно будет использовать, например, для наномедицины.

На прошлой неделе некоторые из ученых, входивших в коллектив авторов данной работы, вместе с коллегами из Германии и Франции опубликовали статью, в которой предложили обратный подход к ДНК-оригами — использование очень короткие молекулы ДНК, состоящие из всего нескольких десятков нуклеотидов. Системы из двух-трех таких молекул представляют собой «кирпичики», из которых, как из деталей конструктора, можно собирать большие и сложные трехмерные структуры.

Александр Дубов