Искусственный метаболизм заставил биополимерного слизевика ползти против течения

Структура флуоресцентных биополимерных нитей, полученных в спиралеобразном микроканале

Shogo Hamada et al./ Science Robotics, 2019

Американские и японские химики придумали способ управлять движением в жидкой среде биополимерных микрочастиц, в структуру которых входят ДНК-линкеры. Предложенный подход основан на принципе «искусственного метаболизма» — управляемого процесса полимеризации и гидролиза ДНК, за счет которого частица может двигаться даже против внешнего потока. В будущем подобный метод может помочь при разработке микро- и нанороботов, способных к регенерации, пишут ученые в Science Robotics.

Один из наиболее популярных химических механизмов, который ученые используют для создания молекулярных моторов, — это взаимодействие между молекулами ДНК и ферментами. Реакции полимеризации или деполимеризации, транскрипция, разрезание и восстановление цепочек — все эти процессы могут использоваться, чтобы привести искусственно созданную систему из небольшого числа биомолекул в движение. Например, недавно ученые, руководствуясь подобными соображениями, создали молекулярный мотор из двух ДНК-колец и фермента, которые способны двигаться по заранее заданному маршруту за счет реакции синтеза РНК.

Большинство подобных молекулярных устройств, однако, пока нельзя назвать даже грубыми моделями живых систем: они нуждаются в очень точном внешнем контроле, а самостоятельно «принимать решения» о необходимости начала движения, изменения структуры или запуске химической реакции они не могут.

Чтобы сделать молекулярных роботов на основе ДНК более «живыми», группа химиков из США и Китая под руководством Дэна Луо (Dan Luo) из Корнеллского университета предложила поместить их в среду, в которой происходит искусственный метаболизм (то есть реакции синтеза и расщепления, регулирующие состояние крупных молекул). Такая среда создавалась за счет добавления в раствор двух ферментов, один из которых приводит к образованию сравнительно длинных цепочек ДНК из совсем небольших фрагментов, находящихся в растворе, а второй, наоборот, гидролизует полимер, разбирая его обратно на отдельные кусочки. Таким образом, первый фермент, по мнению ученых, отвечает за «искусственный анаболизм», а второй — за «искусственный катаболизм».

Когда ДНК находится в форме полимера, она может выступать в роли соединительного элемента между более крупными молекулами, связываясь с фрагментами гидрогеля, гибридными органо-неорганическими наночастицами или белковыми молекулами. Поэтому в тех областях, где ДНК присутствует в заполимеризованной форме, появляются крупные структуры из таких молекул и частиц, а там, где ДНК разбита на отдельные блоки, — таких образований нет. Чтобы контролировать, где именно в исследуемой системе будут участки различного типа, авторы работы использовали микрофлюидные устройства с тремя каналами для ввода компонентов, а также содержащих массивы вертикальных колонн, которые жидкостям приходится обтекать. В таком устройстве формируются устойчивые узкие ламинарные потоки, концентрацию нужных ферментов в которых легко контролировать. Поэтому при введении в канал ДНК-полимеразы, в нем формируются связанные нити из связанного ДНК-линкерами биополимера (авторы работы использовали белки и гибридные материалы на основе неорганических наночастиц), а при добавлении ДНК-гидролазы эти нити начинают разрушаться. Такой метод, позволяющий контролируемо менять структуру материала, ученые назвали DASH — DNA-based Assembly and Synthesis of Hierarchical materials.

Чтобы показать, что таким образом действительно можно управлять движением биополимерных частиц в канале, ученые провели эксперимент, в котором за счет управляемого смешивания потоков трех растворов (основного раствора с прекурсорами, «собирающего» и «разрушающего» растворов) заставили искусственную модель слизевика, собранного из биополимерного гибридного материала, ползти против течения жидкости. Добиться этого удалось за счет того, что спереди (относительно потока) происходила разборка материала, а сзади — наоборот, полимеризация. А еще более усовершенствованная схема позволила ученым даже устроить гонку между двумя такими слизевиками.

По словам ученых, предложенный ими способ управления динамическим поведением гибридных частиц с иерархической структурой за счет принципа «искусственного метаболизма» позволит в будущем создавать искусственные биологические системы, способные поддерживать свою жизнеспособность и при необходимости даже регенерировать.

ДНК — один из наиболее распространенных инструментов для создания управляемых молекулярных систем на основе биомолекул. Например, в прошлом году, также с помощью линкеров из ДНК, японские и американские химики научились управлять роем молекулярных моторов на основе микротрубочек. За счет использования линкеров нескольких видов, микротрубочки удавалось объединять в группы, разделять обратно или заставлять их одновременно вращаться.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.