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
Возбудили его с помощью фотокатализатора
Американские химики обнаружили фотохимическую реакцию циклопропанирования двойных связей соединениями с активной метиленовой группой. Они выяснили, что в присутствии кислорода, фотокатализатора и источника иода эти распространенные нуклеофилы реагируют с обычными алкенами — при этом образуется трехчленный углеродный цикл. Кроме того, авторы статьи в Science исследовали механизм открытой реакции. Трехчленные углеродные кольца — циклопропаны — часто встречаются в молекулах биологически активных веществ. Например, такое кольцо есть в нирматрелвире — одном из компонентов недавно одобренного FDA лекарства от ковида. И поэтому циклопропанам, в отличие от, например, четырехчленных циклобутанов, химики посвящают много исследований. Сейчас самый распространенный метод синтеза циклопропанов — это реакция между алкеном и диазосоединением. Чтобы его использовать, нужно получать часто неустойчивые при хранении (а иногда даже взрывчатые) диазосоединения. Кроме того, для протекания такой реакции обычно нужны медные или родиевые катализаторы. Но недавно химики под руководством Рамеша Гири (Ramesh Giri) из Университета штата Пенсильвания нашли метод циклопропанирования алкенов без диазосоединений. Сначала они предположили, что в присутствии фотокатализатора и окислителя метиленовые фрагменты, соседние с двумя акцепторными группами, смогут образовывать радикалы, которые и будут присоединяться к двойной связи алкена. Чтобы проверить эту гипотезу, химики провели несколько тестов. Они смешивали алкен 4-фенилбутен с диэтилмалонатом в присутствии разных перекисных окислителей и фотокатализатора 4CzIPN при облучении синим светом. В одном из экспериментов, когда химики добавили в реакцию циклогексилиодид и использовали кислород в качестве окислителя, образовался нужный циклопропан. Далее, чтобы изучить механизм реакции, химики провели несколько контрольных экспериментов. Они показали, что под действием возбужденной фотокатализатором молекулы кислорода на метиленовом фрагменте одного из реагентов возникает радикальный центр, который перехватывается алкеном с последующим образованием циклопропана. Кроме того, с помощью УФ-спектроскопии ученые выяснили, что во время протекания процесса циклогексилиодид окисляется с образованием иода. Он, в свою очередь, восстанавливается до иодид-анионов с помощью образующейся в смеси перекиси водорода, а затем уже в форме аниона выступает восстановителем для фотокатализатора. Далее химики протестировали свою реакцию на разных алкенах. Оказалось, что у реакции два основных ограничения: стиролы, в которых двойная связь присоединена к бензольному кольцу, и сопряженные диены. Из них циклопропаны получить не удалось. Так химики разработали реакцию фотохимического синтеза циклопропанов и исследовали ее механизм. Авторы статьи надеются, что вскоре получится разработать более общие условия процесса, которые позволят получать циклопропаны из стиролов и диенов. Недавно мы рассказывали о том, как химики воспользовались таким же фотокатализатором для проведения реакций кросс-сочетания.
