Новый динамический подход к моделированию сворачивания ДНК-оригами

ДНК-нанотехнология, и в частности метод ДНК-оригами, позволяет сворачивать длинную цепь ДНК (скаффолд) с помощью сотен коротких цепей (стейплов) в заранее заданные наноразмерные структуры. Этот процесс эффективен, но сложен, и его трудно наблюдать экспериментально из-за малых размеров структур.

Существующие компьютерные модели, основанные на молекулярной динамике, симулируют движение каждого нуклеотида за миллиарды крошечных временных шагов. Это требует огромных вычислительных ресурсов, ограничивая размер моделируемых структур и время симуляции.

Исследователи из Университета Дьюка, профессор Гаурав Аря и его аспирант Марчелло ДеЛука, предложили новую модель. Вместо симуляции каждого нуклеотида, их подход рассматривает поведение групп из восьми нуклеотидов. Это упрощение позволяет моделировать динамику сворачивания структур, содержащих тысячи нуклеотидов, на протяжении миллиардов более крупных и быстрых для расчёта шагов.

В статье, опубликованной 8 апреля в Nature Communications, учёные показали, что могут моделировать динамику сворачивания ДНК-оригами размером более 8000 нуклеотидов сотни раз. Предыдущий рекорд для единичной симуляции составлял 770 нуклеотидов.

"Наша техника лишена молекулярной детализации существующих моделей, но мы к этому и не стремимся, — сказал Аря. — Нас интересует глобальная динамика целых сложных структур в процессе самосборки".

Моделирование уже выявило новые детали процесса:

• Структуры начинают напоминать конечную форму очень рано, но затем долго "кристаллизуются" в окончательный вид.
• В сворачивании ДНК-оригами может играть роль явление "импульса сворачивания" (folding momentum), важное для фолдинга белков.

Этот подход может помочь сотням научных групп оптимизировать дизайн своих структур, предсказывая результат сворачивания до дорогостоящих лабораторных экспериментов.

Модель также может ускорить применение ДНК-оригами, например, в доставке лекарств. Устройства из ДНК можно запрограммировать на высвобождение молекул в определённой среде, например, при пониженном pH внутри опухоли.

"Основная проблема для одобрения таких методов — достаточное понимание этих устройств, включая то, как они сворачиваются и высвобождают груз, — отметил ДеЛука. — Если мы сможем создать более чёткую картину, это может смягчить регуляторные опасения для подобных терапевтических средств".