Белковая «арматура» поможет создавать безошибочные наноструктуры

ДНК — это основа жизни, но также и основа нанотехнологий. Поскольку молекулы ДНК с комплементарной химической структурой распознают и связываются друг с другом, нити ДНК могут соединяться, как кубики Lego, для создания наноразмерных объектов сложной формы.

Однако для достижения ключевой цели — создания прочных миниатюрных устройств, таких как биосенсоры и контейнеры для доставки лекарств, — исследователям нужно работать с гораздо более крупными сборками ДНК. Это было сложно, потому что длинные цепи ДНК гибкие, а стандартный метод их сборки подвержен ошибкам.

Используя ДНК-связывающий белок RecA в качестве наноразмерной «арматуры» для поддержки гибкого каркаса ДНК, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) создали несколько самых крупных прямоугольных, линейных и других структур, когда-либо собранных из ДНК. Эти структуры могут быть в два-три раза больше, чем построенные с использованием стандартных методов самосборки ДНК.

Кроме того, поскольку новый метод требует меньше химически различных «деталей» для построения организованных структур, чем стандартная техника ДНК-оригами, он, вероятно, уменьшит количество ошибок при создании форм. Это большой плюс для производства надежных ДНК-устройств в больших количествах, отмечает исследователь NIST Алекс Лиддл.

Хотя способность RecA связываться с двухцепочечной ДНК была известна годами, команда NIST первой интегрировала филаменты этого белка в сборку ДНК-структур. Добавление RecA дает особое преимущество: как только одна субъединица белка связывается с небольшим сегментом двухцепочечной ДНК, она автоматически притягивает другие субъединицы, выстраиваясь в линию, подобно магнитам. RecA выстилает всю длину цепи ДНК, растягивая, расширяя и укрепляя её. Гибкая нить ДНК шириной 2 нм может превратиться в жесткую структуру шириной более чем в четыре раза больше.

«Метод RecA значительно расширяет возможности методов самосборки ДНК для создания более крупных и сложных структур», — говорит Дэниел Шиффельс из NIST.

Новый метод включает в себя технику ДНК-оригами и выходит за её рамки. В ДНК-оригами короткие цепи ДНК со специфической последовательностью четырех пар оснований используются как «скрепки», связывающие длинные участки ДНК. Чтобы сделать скелет ДНК прочнее и толще, нить может петлять сама на себя, быстро расходуя длинную цепь.

Если ДНК-оригами — это складывание, то Лиддл сравнивает новый метод своей команды со строительством комнаты по плану. Местоположение коротких одноцепочечных фрагментов ДНК, выступающих в роли «скрепок», отмечает углы комнаты. Между углами лежит длинный, тонкий одноцепочечный участок ДНК. Фермент ДНК-полимераза превращает его участок в двухцепочечную версию молекулы — необходимый шаг, поскольку RecA сильно связывается только с двухцепочечной ДНК. Затем RecA собирается вдоль всей двойной цепи, укрепляя структуру ДНК и уменьшая потребность в дополнительных «скрепках» для поддержания её формы.

Поскольку требуется меньше «скрепок», метод RecA, вероятно, позволяет строить организованные структуры с меньшим количеством ошибок, чем ДНК-оригами.