Учёные создали универсальные 3D-наноструктуры с помощью ДНК-"кирпичиков"

Исследователи из Института биологически инспирированной инженерии Висса при Гарвардском университете создали более 100 трёхмерных наноструктур, используя строительные блоки из ДНК, которые функционируют как кирпичики Lego®. Это значительный шаг вперёд по сравнению с двумерными структурами, которые та же команда построила несколькими месяцами ранее.

Новый метод, представленный на обложке журнала Science от 30 ноября, открывает путь к использованию ДНК-нанотехнологий для более сложных применений, чем когда-либо прежде. Например, для "умных" медицинских устройств, избирательно доставляющих лекарства к очагам заболеваний, программируемых зондов для визуализации, шаблонов для точного расположения неорганических материалов при производстве компьютерных микросхем следующего поколения.

Техника нанофабрикации, названная "самосборкой ДНК-кирпичиков", использует короткие синтетические нити ДНК, работающие как сцепляющиеся кирпичики Lego®. Она основана на возможности программировать ДНК для формирования заранее заданных форм благодаря базовым парам ДНК: A (аденин) связывается только с T (тимином), а C (цитозин) — только с G (гуанином).

Ранее в этом году команда из Института Висса сообщила в Nature, как они могут создавать коллекции 2D-форм, укладывая один ДНК-кирпичик (длиной 42 основания) на другой.

Однако для сборки в 3D потребовался новый "поворот" метода. Хитрость заключается в том, чтобы начать с ещё меньшего ДНК-кирпичика (длиной 32 основания), что меняет ориентацию каждой совпавшей пары кирпичиков на угол 90 градусов, придавая каждой паре 3D-форму. Таким образом, команда может строить не только "вверх", но и "вширь", формируя в итоге 3D-структуры, например, сплошной куб размером 25 нанометров, содержащий сотни кирпичиков.

Этот куб становится "главным" ДНК-"молекулярным холстом". В данном случае холст состоял из 1000 так называемых "вокселей", которые соответствуют восьми парам оснований и имеют размер около 2,5 нанометров — это архитектура в её мельчайшем проявлении.

Именно на этом главном холсте проявляется модульность: просто выбирая подмножества определённых ДНК-кирпичиков из большой кубической структуры, команда построила 102 3D-структуры со сложными поверхностными особенностями, а также замысловатыми внутренними полостями и туннелями.

"Это простой, универсальный и надёжный метод", — говорит Пэн Инь, доктор философии, ведущий автор исследования.

Другой метод, используемый для построения 3D-структур, называемый ДНК-оригами, сложнее применять для создания сложных форм, пояснил Инь, поскольку он полагается на длинную "каркасную" нить ДНК, которая сворачивается, взаимодействуя с сотнями более коротких "скрепляющих" нитей. Каждая новая форма требует новой стратегии маршрутизации каркаса и, следовательно, новых скрепок. В отличие от этого, метод ДНК-кирпичиков не использует никакой каркасной нити и поэтому имеет модульную архитектуру; каждый кирпичик может быть добавлен или удалён независимо.

"Мы движемся с молниеносной скоростью в нашей способности разрабатывать всё более мощные способы использования биосовместимых молекул ДНК в качестве структурных строительных блоков для нанотехнологий, что может иметь большую ценность для медицины, а также для немедицинских применений", — говорит Дон Ингбер, доктор медицины и философии, основатель и директор Института Висса.