Американские биохимики из Калифорнийского технологического института разработали систему перестраиваемой ДНК-оригами, в которой в уже готовой структуре выбранный элемент можно заменить на другой. Работоспособность предложенного подхода ученые показали, сыграв партию в крестики-нолики на микрометровом поле, полностью построенном из молекул ДНК. В основе метода лежит принцип частичной комплементарности соединенных между собой участков ДНК, который в будущем может использоваться, например, для получения настраиваемых молекулярных машин, пишут ученые в Nature Communications.
Впервые технология ДНК-оригами была описана более десяти лет назад: в статье в Nature Пол Ротмунд (Paul W. K. Rothemund) впервые описал, как длинную полинуклеотидную цепочку за счет правильно подобранной последовательности азотистых оснований можно сложить в заданную двумерную фигуру (например, звездочку или улыбающуюся рожицу). Этот подход основан на принципе комплементарности связей между нуклеотидами, который позволяет скреплять между собой одноцепочечные молекулы нуклеиновых кислот в строго заданных местах. Тот же принцип приводит, например, к образованию двойной спирали ДНК, в которой напротив тимина в всегда расположен аденин, а напротив гуанина — цитозин.
В нужную форму цепочки ДНК выстраиваются с помощью совсем небольших соединительных элементов — ДНК-скрепок: половина скрепки комплементарна одному участку длинной цепочки, половина — другому. Правильно подобранные скрепки сцепляют между собой нужные фрагменты большой молекулы и заставляют ее складываться в нужную фигуру. Сейчас таким образом удается получать очень большие структуры — и не только плоские, но и трехмерные. В частности, в 2018 году ученые получили с помощью ДНК-оригами объемные фигуры общей молекулярной массой порядка 50 мегадальтон.
Кроме того, быстрыми темпами увеличиваются точность и гибкость технологии: например около года назад мы писали, как с помощью ДНК-оригами американским биохимикам из Калифорнийского технологического института под руководством Лулу Цяня (Lulu Qian) удалось из молекул ДНК собрать самую маленькую копию «Джоконды» — размером около одного квадратного микрометра. Для этого ученые разработали методику фрактальной самосборки, которая позволяет соединять небольшие отдельные элементы ДНК-изображений в большие двумерные массивы.
В новой работе этой группе ученых удалось усовершенствовать собственную методику. Теперь технология позволяет не только собирать из отдельных элементов мозаику с нужной последовательностью, но и заменять в уже готовой конструкции один элемент другим. Основная идея предложенного метода состоит в том, что квадратные блоки, которые должны стыковаться между собой по сторонам, могут склеиваться друг с другом «с разной силой». ДНК-скрепки, отвечающие за соединение блоков, могут быть расположены не по всей стороне квадрата, а скажем, только на 70 процентах от нее. Поэтому если в систему, составленную из блоков, скрепленных на 70 процентов, внести блок, который будет соединяться уже по 90 процентам стороны, то со временем из-за обратимости реакций в трехкомпонентной среде более слабые связи заменятся на более сильные, и большинство старых строительных блоков ДНК-структуры уступят место новым.
Такой принцип «частичной комплементарности» позволяет управлять кинетикой образования больших ДНК-мозаик, меняя скорость процесса на пять порядков. А при правильно подобранных параметрах можно по каскадному механизму заменять «слабо соединенные» элементы мозаики на те, которые в ней будут держаться сильнее (таким образом, правда, невозможно провести замену элементов в обратном направлении). Наглядно продемонстрировали работоспособность и гибкость этой технологии авторы с помощью моделирования игры в ДНК-разновидность крестиков-ноликов на поле три на три.
Для этого биохимики синтезировали три типа игровых блоков, полностью состоящих из цепочек ДНК: пустые квадратные поля, поля с крестиком и поля с ноликом (крестики и нолики тоже выложены двухцепочечными ДНК-скрепками). В изначальной конфигурации игровое поле состояло из девяти пустых блоков, относительно слабо соединенных между собой. За один «ход» пустое поле можно было заменить на поле с крестиком или поле с ноликом (каждое из которых крепче держится в мозаике), при этом метод позволяет производить замену любой выбранной плитки и менять их в любом порядке.
Ученые отмечают, что одинаковый принцип работает и на молекулярном масштабе, и на нанометровом. В первом случае замена одной цепочки ДНК в связанной паре может происходить при появлении в системе «более комплементарной» пары (то есть молекулы, соответствующей начальной по большему количеству нуклеотидов). В большой же системе уже построенных элементов ДНК-мозаики этот принцип работает для меньшего или большего количества ДНК-сцепок по сторонам квадратных блоков.
Демонстрационная партия длилась неделю и закончилась победой крестиков.
По словам авторов , подобные системы, собранные по принципу ДНК-оригами с возможностью точечной контролируемой замены отдельных блоков, крайне перспективны для построения молекулярных машин, которые могут изменять свою конфигурацию в ответ на изменение внешних условий.
Технология ДНК-оригами — это все же не только возможность делать красивые картинки с нанометровым разрешением или развлекать себя игрой в крестики-нолики на микромасштабе. Полученные таким образом системы ученые считают крайне перспективными для доставки лекарств к опухолевым клеткам млекопитающих, а в будущем на их основе можно можно будет получать компьютерные чипы.
Александр Дубов
Ученые исследовали фрагменты керамики эпохи неолита, найденные на четырех кранногах на шотландском острове Льюис. Им удалось обнаружить органические остатки мясных и молочных жиров, а также пшеницы. Так, биомаркеры из некоторых сосудов указывают на то, что в них, по всей видимости, готовили молочную кашу. Это первые прямые свидетельства приготовления злаков в керамике такой древности из Шотландии. Как сообщается в статье, опубликованной в журнале Nature Communications, находки датируются примерно 3640–3360 годами до нашей эры.