ДНК-наноконструкции могут имитировать молекулярную организацию живых систем без химического сшивания

Новые ДНК-наноконструкции могут формировать гибкие, текучие и стимул-чувствительные конденсаты без химического сшивания, сообщают исследователи из Института науки Токио и Университета Тюо в журнале JACS Au.

Благодаря жесткому тетраэдрическому мотиву, который связывает линкеры в определенном направлении, получающиеся нитевидные структуры образуют конденсаты с исключительной текучестью и стабильностью. Эти открытия прокладывают путь к адаптивным мягким материалам с потенциальными применениями в доставке лекарств, искусственных органеллах и биоинженерных платформах.

В живых клетках некоторые биомолекулы могут самоорганизовываться в специализированные компартменты — биомолекулярные конденсаты. Эти каплевидные структуры играют ключевую роль в клеточных функциях, таких как регуляция экспрессии генов и биохимических реакций. Ученые проявляют растущий интерес к созданию искусственных версий таких конденсатов с помощью ДНК-нанотехнологий, поскольку программируемость и точность ДНК делают ее идеальным строительным материалом.

Однако влияние физической структуры компонентов на поведение и функцию конденсатов остается неясным. Большинство созданных до сих пор синтетических ДНК-конденсатов были относительно однородными и не обладали сложностью живых клеток. Кроме того, многие биологические конденсаты, например, с участием хроматина, содержат высокоанизотропные компоненты — структуры с направленными свойствами, влияющими на формирование и поведение конденсатов. Эффекты структурной анизотропии в значительной степени игнорировались в искусственных системах.

В своем исследовании команда под руководством профессора Масахиро Такиноуэ из Института науки Токио сделала значительный шаг вперед. Ученые исследовали, как анизотропия в ДНК-наноконструкциях может влиять на формирование и свойства ДНК-конденсатов.

Исследователи разработали жесткие трехмерные тетраэдрические ДНК-наноконструкции, которые соединяются в определенном направлении, образуя нитевидные сборки. В отличие от гибких Х-образных ДНК-мотивов, использовавшихся ранее, эти тетраэдрические мотивы сохраняют жесткую структуру при связывании, создавая длинные цепи. Ключевая инновация заключается в том, как эти нити взаимодействуют: вместо химического сшивания между разными цепями, нити ассоциируют через физическое переплетение, формируя фазо-разделенные конденсаты.

Эксперименты показали, что новые ДНК-конденсаты обладают выдающимися свойствами по сравнению с обычными. При механическом стрессе конденсаты на основе нитей можно было растягивать в волокнистые структуры без разрыва, демонстрируя исключительную гибкость и стабильность. Тесты на микрофлюидных платформах показали, что эти конденсаты могут деформироваться и протискиваться через крайне узкие пространства, адаптируясь к окружающей среде текучим образом, недоступным для сшитых конденсатов.

«Наблюдаемый баланс гибкости и стабильности разработанного конденсата может обеспечить проникновение и адаптацию формы к нерегулярным тканевым архитектурам, предлагая жизнеспособный вариант в качестве средства доставки лекарств», — говорит Такиноуэ.

Исследователи также продемонстрировали управление конденсатами с помощью внешних стимулов, включая ультрафиолетовое (УФ) излучение и изменение температуры. Внедряя фоторасщепляемые спейсеры, они могут запускать разборку конденсатов с помощью УФ-облучения, высвобождая отдельные ДНК-наноконструкции, способные проникать в клетки. Кроме того, морфологические изменения конденсата при повышении температуры продемонстрировали его термическую чувствительность. Эти демонстрации указывают на потенциальные биомедицинские применения и применения в мягких материалах.

«Наш анизотропный тетраэдрический ДНК-конденсат представляет собой многообещающий новый мягкий материал с потенциальными применениями в широком спектре областей, включая биоинженерию и искусственные клеточные системы», — заключает Такиноуэ.

Будущие исследования и разработки прокладывают путь к новым молекулярным устройствам, системам доставки лекарств и искусственным органеллам, которые более точно имитируют сложную организацию, встречающуюся в живых клетках.