Биохимики сыграли в крестики-нолики молекулами ДНК

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