Самособирающиеся наноклетки — самые крупные 3D-структуры из ДНК на сегодня

Учёные из Института Висса при Гарварде создали набор самособирающихся клеток из ДНК, размером в одну десятую от ширины бактерии. Эти структуры — одни из самых крупных и сложных, когда-либо созданных исключительно из ДНК, о чём сообщается в онлайн-выпуске Science.

Кроме того, учёные визуализировали их с помощью метода сверхвысокого разрешения на основе ДНК (DNA-PAINT) и получили первые чёткие 3D-оптические изображения неповреждённых синтетических наноструктур ДНК в растворе.

В будущем такие клетки можно будет покрывать оболочкой для упаковки лекарств и доставки к тканям. Также клетку можно модифицировать химическими "крючками" для закрепления других компонентов, например, белков или золотых наночастиц. Это может помочь в создании крошечных электростанций, миниатюрных фабрик для производства специальных химикатов или высокочувствительных фотонных сенсоров для диагностики заболеваний.

Строительство из ДНК

Учёные в области ДНК-нанотехнологий исследуют способы использования ДНК для создания крошечных структур. Эти структуры программируемы: последовательность оснований в ДНК определяет создаваемую структуру.

Команда Пэна Иня построила различные типы структур ДНК, включая модульный набор частей, называемых одноцепочечными ДНК-плитками (DNA bricks). Как кубики LEGO®, эти части можно добавлять или убирать независимо, но, в отличие от них, они самособираются.

Инженерные задачи

Инь и его коллеги сначала использовали ДНК-оригами, чтобы создать очень крупные строительные блоки в форме штатива фотографа. План состоял в том, чтобы сконструировать ножки этих штативов для соединения "конец в конец" и формирования многогранников.

Однако при попытке собрать более крупные штативы в многогранники их ножки расходились и шатались. Проблему решили, добавив горизонтальную распорку для стабилизации каждой пары ножек.

Чтобы "склеить" ножки штативов, они использовали свойство комплементарных цепей ДНК спариваться. На ножке одного штатива оставляли "хвост" ДНК, а на ножке другого — комплементарный ему.

Команда запрограммировала ДНК на сворачивание в прочные штативы, которые в 60 раз крупнее предыдущих ДНК-штативов и в 400 раз крупнее ДНК-кирпичиков. Эти штативы затем самособирались в определённый тип трёхмерного многогранника — всё в одной пробирке.

Регулируя длину распорки, они создали штативы от прямостоячих до широко расставленных. Более прямостоящие штативы формировали многогранники с меньшим числом граней и более острыми углами (например, тетраэдр). Более расставленные штативы формировали многогранники с большим числом граней (например, шестиугольную призму).

Всего они создали пять многогранников: тетраэдр, треугольную призму, куб, пятиугольную призму и шестиугольную призму.

Сверхчёткие снимки

После создания клеток учёные визуализировали их с помощью метода микроскопии DNA-PAINT. В этом методе короткие цепи модифицированной ДНК заставляют точки на структуре мигать, а данные с этих изображений раскрывают структуры, слишком мелкие для обычного светового микроскопа. DNA-PAINT позволил получить сверхчёткие 3D-снимки ДНК-клеток — первые в своём роде изображения одиночных структур ДНК в их естественной водной среде.