Наноразмерные клетки в лаборатории и компьютере: как ДНК-дендримеры транспортируют наночастицы

Физики из Венского университета, Венского технического университета, Исследовательского центра Юлиха (Германия) и Корнеллского университета (США) исследовали методы синтеза ДНК-дендримеров в лаборатории и предсказания их поведения с помощью компьютерного моделирования. Результаты опубликованы в Nanoscale.

Проблема традиционных дендримеров

Полости наноразмерных клеток (наноклеток) можно использовать как носители для доставки лекарств или генов. Дендримеры с их древовидной архитектурой — перспективные кандидаты для создания таких наноносителей. Однако десятилетия исследований показали, что у многих типов дендримеров с ростом поколений происходит обратное складывание внешних ветвей, что повышает плотность компонентов внутри молекулы и устраняет полости. Этот эффект усиливается при добавлении соли в раствор.

Решение: жесткие ДНК-дендримеры

Международная команда ученых нашла способ создания достаточно жестких дендримеров, чтобы предотвратить обратное складывание даже у поколений с высокой степенью ветвления, сохраняя регулярные пустоты внутри. Эти новые макромолекулы также обладают высокой устойчивостью к добавлению соли: их морфология и конформационные характеристики остаются неизменными даже при высоких концентрациях соли.

Строительные блоки: Y-образная ДНК

Созданные наноклетки — это ДНК-дендримеры, или дендримероподобные ДНК (DL-DNA). Их строительный блок — Y-образная двуцепочечная ДНК (ds-DNA), образованная гибридизацией трех частично комплементарных одноцепочечных цепей (ss-DNA). Каждое плечо состоит из 13 пар оснований и одноцепочечного "липкого конца" из четырех нуклеотидов, который действует как "клей". Присоединение новых Y-ДНК элементов позволяет получать DL-DNA более высоких поколений.

Свойства и сборка

Полученный дендример — это заряженная, содержащая полости макромолекула с древовидной архитектурой. Жесткость dsDNA и электростатическое отталкивание делают всю молекулу жесткой. DL-DNA были собраны в лаборатории с помощью программируемой когезии "липких концов" с замечательным контролем и субнанометровой точностью. Их пошаговый рост является высококонтролируемым, однонаправленным и необратимым.

Применение и моделирование

ДНК-дендримеры рассматриваются для создания наноразмерных штрих-кодов, ДНК-вакцин и структурных зондов для мультиплексного молекулярного зондирования. Размеры, форма и детали, невидимые в эксперименте (например, размер пустот и степень обратного складывания), были проанализированы с помощью компьютерного моделирования в Вене. Использованная мономерная модель с тщательно подобранными взаимодействиями точно воспроизвела равновесные свойства ДНК в физиологическом растворе.

Вывод

Отличное согласие между экспериментом и моделированием подтверждает теоретические модели и открывает путь для дальнейшего изучения свойств наноклеток и их применения в качестве функциональных наноносителей и строительных блоков для биосовместимых искусственных материалов.