Ученые используют «липкую» ДНК для построения упорядоченных структур из гелевых блоков
Исследователи из Окинавского института науки и технологий (OIST) использовали микроскопические цепочки ДНК для управления сборкой гелевых блоков, видимых невооруженным глазом.
Гидрогелевые блоки размером до 2 мм, содержащие ДНК на своей поверхности, самоорганизовывались примерно за 10–15 минут при смешивании в растворе. Результаты опубликованы в Journal of the American Chemical Society.
«Мы считаем, что эти блоки — самые крупные объекты на сегодня, сборка которых была запрограммирована с помощью ДНК», — заявил первый автор работы, доктор Вьянкат Сонтакке.
Процесс самоорганизации, когда упорядоченная структура спонтанно формируется при взаимодействии компонентов, широко распространен в природе. Однако использование молекулярных взаимодействий для сборки макроскопических объектов — относительно новое направление, особенно с применением ДНК.
«Мы выбрали ДНК из-за ее программируемости, основанной на избирательном узнавании последовательностей», — пояснил старший автор, профессор Йохей Йокобаяши.
Принцип работы
В одном из экспериментов ученые присоединили молекулы одноцепочечной ДНК к поверхности окрашенных в красный и зеленый цвет гидрогелевых блоков. Последовательности ДНК на красных и зеленых блоках были комплементарны друг другу.
При встряхивании в растворе комплементарные цепочки ДНК соединялись, действуя как «клей», который склеивал красные и зеленые блоки. Через десять минут блоки самоорганизовались в простую разветвленную структуру с чередующимися цветами. Важно, что цепочки ДНК не взаимодействовали с идентичными последовательностями на блоках того же цвета.
Специфичность и обратимость
Специфичность метода подтвердили в эксперименте с четырьмя парами комплементарных последовательностей ДНК, прикрепленных к красным, зеленым, синим и желтым кубикам. При смешивании, несмотря на множество разных последовательностей, цепочки связывались только со своими «партнерами», в результате чего блоки саморассортировались по группам одного цвета.
«Это показывает, что процесс самоорганизации высокоспецифичен и легко программируется. Просто меняя последовательность ДНК, мы можем направлять взаимодействие блоков по-разному», — отметил профессор Йокобаяши.
Ученые также продемонстрировали возможность управляемой разборки структуры. Они создали систему, где более длинная цепочка ДНК, добавленная в раствор, вытесняла более короткую, что приводило к разъединению блоков в течение часа.
«Это означает, что процесс полностью обратим, а отдельные компоненты можно использовать повторно», — сказал доктор Сонтакке.
Перспективы
Пока созданные структуры просты, но исследователи планируют увеличить сложность, добавляя больше типов кубиков и прикрепляя разные последовательности ДНК к конкретным граням. Также они намерены увеличить размер самих блоков.
«Это фундаментальное исследование, но в будущем такие методы могут найти применение в тканевой инженерии и регенеративной медицине. Например, можно будет поместить разные типы клеток в гидрогелевые кубики, которые затем соберутся в сложные 3D-структуры, необходимые для выращивания новых тканей и органов», — предположил профессор Йокобаяши.
Он добавил: «Вне потенциальных применений, невероятно наблюдать за химией взаимодействия микроскопических цепочек ДНК невооруженным глазом. Это очень интересная наука».