Поломанные ДНК-нанотрубки залатали в себе дырки запасными деталями

Американские биохимики получили нанотрубки из ДНК, которые самостоятельно восстанавливают структуру, разрушенную при взаимодействии с нуклеазами. Для этого в среду с нанотрубками добавлялись запасные элементы ДНК, способные прикрепляться к поврежденному участку. Такой подход позволяет в четыре раза замедлить разрушение искусственных нано- и микроструктур на основе ДНК в богатых ферментами биологических средах, пишут ученые в Nano Letters.

Молекулы нуклеиновых кислот содержат в своем составе по четыре вида азотистых оснований, которые могут попарно связываться друг с другом, соединяя между собой две различные полимерные цепочки. Принцип такого попарного соответствия — комплементарность — используется живыми организмами для синтеза новых молекул, кодирования и передачи информации, а биохимиками и материаловедами — для создания искусственных наноструктур заданной формы на основе ДНК или РНК. В частности, именно на этом принципе основана методика ДНК-оригами, с помощью которой сейчас можно получать из ДНК трехмерные структуры заданной формы массой до нескольких сотен мегадальтон. Благодаря тому, что к ДНК довольно легко присоединить другие биополимеры или неорганические частицы, спектр возможных применений этих структур довольно широк: это и создание молекулярных компьютеров, и получение наносенсоров, и доставка лекарств внутри организма.

Одна из проблем подобных искусственных структур на основе ДНК — не очень высокая устойчивость в богатых ферментами биологических средах, в которых эти нано- и микроматериалы собираются активно использовать (например, для доставки лекарств и терапии рака). Так, в растворе сыворотки эмбриона теленка (типичная модельная среда для биохимических исследований) незащищенные наноструктуры из ДНК живут не больше суток. Как правило, в таких случаях для защиты искусственных ДНК-структур их либо покрывают защитной мембраной, либо добавляют в среду другой субстрат для нуклеазы, который она будет разрушать вместо той структуры, которую хочется сохранить. Эти способы, однако, либо чересчур сложны, либо сильно ограничивают функциональные возможности самих ДНК-структур.

Биохимики И Ли (Yi Li) и Ребекка Шульман (Rebecca Schulman) из Университета Джона Хопкинса для решения этой проблемы предложили другой способ решения. Оказалось, что вовсе необязательно пытаться как-то влиять на взаимодействие ДНК с нуклеазой, добавляя защитные оболочки и занимая ее чем-то другим, можно просто увеличить в среде концентрацию строительных блоков (коротких участков ДНК, из которых построена сама нанотрубка).

Изначально из таких блоков, соединенных с молекулами полиэтиленгликоля, формируется сама нанотрубка длиной в несколько микрометров и фиксируется на стеклянной подложке. После этого нанотрубки помещаются в сыворотку, богатую различными ферментами, в том числе нуклеазами, которые гидролизуют фосфодиэфирную связь и разрушают таким образом структуру ДНК. Согласно теоретическим моделям, если в эту среду в качестве «запчастей» дополнительно добавить те же строительные блоки, из которых состоит ДНК-нанотрубка, скорость роста может быть выше скорости гидролиза, благодаря чему время жизни нанотрубки увеличивается.

Такой эффект ученым удалось обнаружить и экспериментально. Оказалось, что при добавлении в сыворотку дополнительных строительных блоков разрушение нанотрубки под действием ферментов замедляется, время ее жизни увеличивается почти в четыре раза. Данные флуоресцентной микроскопии подтвердили механизм «самопочинки» наноструктур и показали, что это действительно происходит именно за счет встраивания новых блоков в структуру трубки. При этом дополнительный эффект связан с тем, что мономеры ДНК, находящиеся в растворе, служат альтернативным субстратом для нуклеаз и также снижают их активность по отношению к нанотрубкам.

По словам авторов работы, аналогичный эффект наблюдается и для более крупных микроструктур на основе ДНК. Биохимики утверждают, что в ближайшем будущем предложенный ими метод (возможно, объединенный с альтернативными способами замедления химического разрушения наноструктур из ДНК в биологических средах) можно будет использовать для исследований in vivo и разработки конкретных медицинских применений.

Напомним, что искусственные нано- и микроструктуры на основе ДНК предлагают использовать не только для медицинских целей. Например, американские исследователи несколько лет назад предложили использовать молекулы ДНК в качестве электромеханического переключателя. В другой работе биохимики использовали структуру из ДНК в качестве роборуки, которая под действием электрического поля, способна передвигать молекулы или наночастицы на несколько десятков нанометров всего за несколько миллисекунд. Кроме того, искусственные структуры из ДНК предлагают применять и в качестве матрицы для получения неорганических частиц, которые потом можно использовать в качестве элементов оптических сенсоров.

Александр Дубов