Реальная проверка для ДНК-нанотехнологий: Снижение барьеров для ДНК-наноманифактуринга

Два основных барьера, сдерживавших развитие ДНК-нанотехнологий за пределами исследовательской лаборатории, были устранены. Эта новая технология использует ДНК в качестве программируемого строительного материала для самосборных нанометровых структур. Было предложено множество практических применений, и исследователи недавно продемонстрировали синтетический мембранный канал из ДНК. Однако до сих пор процесс проектирования был затруднён из-за отсутствия структурной обратной связи. Сборка была медленной и часто низкого качества. Теперь исследователи под руководством профессора Хендрика Дица из Технического университета Мюнхена (TUM) устранили эти препятствия.

Атомарно точный контроль

Одним из барьеров было неподтверждённое предположение. Исследователи могли проектировать различные объекты и точно указывать, как нити ДНК должны соединяться и сворачиваться в заданные формы. Они могли показать, что полученные наноструктуры соответствуют проектам. Однако не хватало подтверждения предполагаемого субнанометрового точного позиционного контроля. Это было впервые подтверждено анализом специально разработанного тестового объекта. Этот прорыв, основанный на фундаментальном понимании, стал важной проверкой реальности для ДНК-нанотехнологий.

Для проверки предположения учёные TUM совместно с коллегами из MRC Laboratory of Molecular Biology в Кембридже создали относительно большую трёхмерную структуру на основе ДНК. Визуализация с субнанометровым разрешением с помощью низкотемпературной электронной микроскопии позволила отобразить объект, содержащий более 460 000 атомов, с детализацией на субнанометровом уровне. Результаты, опубликованные в Proceedings of the National Academy of Sciences, не только демонстрируют атомарно точную сборку, но и показывают, что такие структуры, ранее считавшиеся гибкими, достаточно жёстки для исследования методом электронной микроскопии.

Быстрая обработка и выход, близкий к 100%

Во второй серии экспериментов в TUM, описанных в Science, использовались объекты ДНК с 19 различными дизайнами. Основное внимание уделялось динамике сворачивания и разворачивания ДНК. Обычный процесс самосборки часто описывается как «реакция в одном сосуде»: нити ДНК помещаются вместе при относительно высокой температуре, а затем температура постепенно понижается.

Наблюдая за этим процессом беспрецедентно подробно, исследователи обнаружили, что всё действие происходит в определённом и относительно узком температурном диапазоне, который различается в зависимости от дизайна объекта. Практическое следствие: после определения оптимальной температуры для заданного дизайна самосборка ДНК может быть осуществлена в быстрых процессах при постоянных температурах. Исследователи обнаружили, что могут «массово производить» объекты из сотен нитей ДНК за минуты, а не за дни, почти без дефектных объектов или побочных продуктов в партии.

«Видя это сочетание быстрого сворачивания и высокого выхода, — говорит Диц, — мы сильнее, чем когда-либо, чувствуем, что ДНК-нанотехнологии могут привести к новому виду производства, с коммерческим, даже промышленным будущим».

С точки зрения фундаментальной биологии, самым интригующим результатом может быть открытие, что сворачивание ДНК больше напоминает сворачивание белка, чем предполагалось. Исследователи наблюдали чётко определённые «кооперативные» шаги в сворачивании сложных объектов ДНК, принципиально не отличающиеся от механизмов, работающих при сворачивании белка. Они предполагают, что дальнейшие эксперименты могут помочь раскрыть тайны сворачивания белков.