ДНК-оригами: команда разработала инновационные повороты в ДНК-нанотехнологии

Профессор Хао Ян из Университета штата Аризона возглавил исследовательскую группу, которая создала широкий спектр 2D- и 3D-структур, расширяющих границы развивающейся области ДНК-нанотехнологии. Это открытие представляет собой важный шаг в решении ключевой конструкторской задачи.

Поле ДНК-нанотехнологии использует природные правила сборки и химические свойства ДНК для самосборки сложных молекул для биомедицинских и электронных применений. Лаборатория Ян ранее создавала структуры, подобные троянскому коню, для доставки лекарств в раковые клетки, электропроводящие золотые нанопровода, сенсоры отдельных молекул и программируемых молекулярных роботов.

В своей новой работе команда создала 2D- и 3D-объекты, напоминающие проволочные модели сфер, а также молекулярные пинцеты, ножницы, винт, веер и даже паутину. Результаты опубликованы в выпуске журнала Science от 22 марта.

Новый подход к дизайну

Новый поворот в их «нисходящей» стратегии дизайна, подобной молекулярному Lego, сосредоточен на структуре ДНК, называемой Холлидеевским соединением. В природе эта крестообразная, двухслойная структура ДНК — это место, где две отдельные спирали ДНК временно встречаются для обмена генетической информацией, обеспечивая разнообразие жизни.

В природе Холлидеевское соединение скручивает двухслойные цепи ДНК под углом около 60 градусов. Это ограничивало правила дизайна для нанотехнологов, особенно при создании структур в вертикальном направлении, поскольку полярность ДНК препятствует формированию множественных слоев.

Ключевое открытие

Команда Ян перепроектировала Холлидеевское соединение, повернув его на 150 градусов вокруг точки соединения. Этого не рассматривали в существующих подходах. Меняя длину ДНК между каждым Холлидеевским соединением, они заставили геометрию соединений перестроиться нетрадиционным образом, впервые обеспечив гибкость для строительства в вертикальном измерении. Ян называет получившуюся структуру, похожую на решетку барбекю, «ДНК-ГридАйрон».

Процесс создания

Дизайны ДНК-ГридАйрон программируются в вирусную ДНК, откуда вытягивается одна длинная нить ДНК и складывается с помощью коротких «скрепляющих» нитей. В пробирке смесь нагревают, затем быстро охлаждают, и всё самоорганизуется в конечную форму. Формирование правильных структур подтверждается с помощью сложных методов визуализации АСМ и ПЭМ.

Этот подход позволил им строить многослойные 3D-структуры и изогнутые объекты для новых применений.

Будущее

Большая часть команды теперь посвящена поиску новых применений для этого базового набора инструментов. «Нам нужно продолжать общаться с биологами, физиками и инженерами, чтобы понимать и удовлетворять их потребности», — говорит Ян.