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
Это первое соединение с ковалентной связью бериллий-бериллий
Химики из Великобритании разработали способ синтеза дибериллоцена — сэндвичевого соединения бериллия (I), в котором два атома металла связаны друг с другом и с двумя циклопентадиенильными кольцами — из бериллоцена. Полученное соединение оказалось устойчивым в растворе при нагревании. Исследование опубликовано в Science. Соединения бериллия изучены меньше, чем соединения всех остальных нерадиоактивных элементов. Это связано с токсичностью самого бериллия и его соединений: например, полулетальная доза фторида бериллия при оральном введении составляет 18 миллиграмм на килограмм массы в расчете на металлический бериллий (исследования проводились на мышах). Причем токсичны не только соли бериллия, но и сам металл — при вдыхании его мелкой пыли можно заболеть бериллиозом. Особенно плохо изучены металлоорганические соединения бериллия, в которых есть связь металл-углерод. А кластерных металлоорганических соединений, в которых есть ковалентная связь бериллий-бериллий, неизвестно вообще. И хотя квантовые химики давно предсказывали устойчивость таких соединений — например, дибериллоцена — получать их химикам-синтетикам не удавалось до сих пор. Но недавно с этой задачей справились химики под руководством Саймона Олдриджа (Simon Aldridge) из Оксфордского университета. Они выяснили, что если смешать бериллоцен — он состоит из молекул, в которых один атом бериллия связан c двумя циклопентадиенильными кольцами — с димерным комплексов магния (I) в толуоле, при комнатной температуре образуется два вещества. Одно из них — циклопентадиеновый комплекс магния, а второе — дибериллоцен, в котором два атома бериллия связаны друг с другом ковалентной связью, а над каждым атомом металла находится циклопентадиенильное кольцо. Чтобы подтвердить структуру полученного соединения, химики вырастили его монокристалл и провели рентгеноструктурный анализ. В результате выяснилось, что два циклопентадиенильных кольца располагаются симметрично относительно друг друга, а длина связи бериллий-бериллий составляет около 2.05 ангстрема — такую же длину связи предсказывали ранее квантовые химики. А с помощью ЯМР-спектроскопии и ИК-спектроскопии химики показали, что между атомами бериллия нет мостиковых гидридных лигандов (их трудно детектировать с помощью рентгеновской дифракции). Далее ученые провели с дибериллоценом несколько реакций. Сначала они нагрели раствор дибериллоцена в толуоле до 80 градусов Цельсия и выдержали этот раствор при такой температуре 48 часов. Признаков разложения дибериллоцена химики не наблюдали — он оказался устойчивым к нагреванию веществом. Также ученые смешивали дибериллоцен с комплексами алюминия (III) и цинка (II) — в результате получились соединения со связью бериллий-металл. Так химики выяснили, что атомы бериллия в дибериллоцене имеют нуклеофильный характер и могут взаимодействовать с электрофильными частицами. Таким образом, химики получили и подробно охарактеризовали дибериллоцен и исследовали его реакционную способность. В будущем из дибериллоцена можно будет получать новые классы соединений бериллия. Ранее мы рассказывали о том, как химики получили полностью неорганический аналог ферроцена с двумя циклическими фосфорными лигандами.