ДНК получает новый поворот: учёные создали уникальные «ДНК-нанометки»
Учёные из Университета Карнеги-Меллон объединили яркие флуоресцентные молекулы красителей с шаблонами ДНК-наноструктур, создав наноразмерные флуоресцентные метки. Они перспективны для изучения фундаментальных химических и биохимических реакций на уровне отдельных молекул или клеток. Работа, опубликованная 26 января в The Journal of the American Chemical Society, повышает чувствительность флуоресцентной визуализации и медицинской диагностики.
«Наши ДНК-нанометки обеспечивают беспрецедентную плотность флуоресцентных красителей и, следовательно, потенциал для чрезвычайно ярких меток», — сказала аспирантка Андреа Бенвин, разработавшая нанометки в лаборатории Брюса Армитиджа. «Мы поместили всё в очень маленький пакет, что позволит нам обнаруживать молекулы с высокой чувствительностью, не мешая биологическим процессам».
Высокая яркость нанометок может быть полезна для обнаружения редких раковых клеток в биоптатах тканей, что важно для оценки успешности лечения. Кроме того, ДНК-нанометки позволяют проводить многоцветные эксперименты, что полезно для визуализации, так как несколько цветов можно увидеть одновременно в одном эксперименте с одним лазером.
Исследователи смоделировали свои ДНК-нанометки на основе структуры фикобилипротеинов, содержащихся в некоторых водорослях. Эти белки содержат несколько флуоресцентных пигментов, которые вместе поглощают световую энергию и передают её хлорофиллу для фотосинтеза. Команда воспроизвела этот эффективный процесс в дизайне нанометок для создания очень ярких меток.
«Основные преимущества нашей системы — простота дизайна и лёгкость настройки яркости и цвета флуоресценции», — отметил Армитидж.
Для достижения большей яркости команда создала чётко определённые наноструктурированные ДНК-шаблоны, которые связывают несколько молекул флуоресцентного красителя между парами оснований в спирали ДНК. Это расположение удерживает красители достаточно далеко друг от друга, чтобы избежать гашения флуоресценции. ДНК-шаблоны также можно модифицировать для связывания с другими молекулами или поверхностью клетки.
Новаторский дизайн создаёт нанометки с большими возможностями сбора света и высокой интенсивностью светового излучения (флуоресценции). Поскольку ДНК может вместить один краситель на каждые два пары оснований, наноструктура с 30 парами оснований может связать до 15 молекул флуоресцентного красителя. Получающиеся комплексы краситель-ДНК примерно в 15 раз ярче отдельной молекулы красителя. Яркость можно увеличить, просто увеличив количество пар оснований в ДНК-наноструктуре.
Многоцветные эксперименты возможны, потому что ДНК-нанометки содержат «собирающие свет» красители внутри спирали ДНК, которые возбуждаются светом одной длины волны, а затем передают эту энергию возбуждения «излучающим свет» красителям на поверхности нанометки. Эти излучающие красители могут флуоресцировать цветом, отличным от собирающего красителя. Например, один тип ДНК-нанометки может действовать как антенна, эффективно собирающая синий свет и передающая эту энергию другому красителю в наноструктуре, который затем излучает оранжевый, красный или даже инфракрасный свет. Изменение собирающих красителей позволяет ещё больше варьировать цвет флуоресценции.
Нанометки легко собираются путём смешивания коммерчески доступных цепей ДНК и флуоресцентных красителей. Хотя описанная работа опиралась на относительно простую двумерную ДНК-наноструктуру, Армитидж отмечает, что быстро развивающаяся область ДНК-нанотехнологий генерирует всё более сложные трёхмерные наноструктуры, что должно привести к дальнейшему повышению яркости.
«Мы действительно считаем, что это верхушка айсберга, и что нанометки в 100 раз ярче существующих меток могут быть разработаны в любом цвете», — сказал он.
Источник: Университет Карнеги-Меллон