Ученые контролируют сложные процессы нуклеации с помощью ДНК-оригами затравок
Создание сложных рукотворных объектов почти всегда связано с «сверху-вниз» процессами, где структура навязывается извне. Альтернативой является подход «снизу-вверх», когда порядок возникает изнутри объекта, и он «растет» согласно встроенному дизайну.
Эрик Уинфри из Калифорнийского технологического института (Caltech) и его коллеги стремятся интегрировать подходы снизу-вверх с молекулярными процессами для создания объектов из частей размером в несколько миллиардных долей метра, которые собираются сами.
В статье в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) они описывают создание ДНК-«затравки», несущей информацию, которая направляет самосборку ДНК-плиток контролируемым образом. Этот процесс отчасти похож на то, как оплодотворенные семена растений содержат информацию для роста организма.
«Большое потенциальное преимущество сборки снизу-вверх в том, что она может быть дешевой и массово параллельной, поскольку объекты строят себя», — говорит Уинфри.
Чтобы понять, как можно запрограммировать сложность в молекулярных процессах, ученые исследуют алгоритмы, порождающие организацию в природе. «Каждая клетка — это своего рода универсальный компьютер, который может быть запрограммирован ДНК-геномом», — отмечает Уинфри.
В работе использовались «ДНК-оригами» структуры, разработанные соавтором Полом Ротемундом, который получил за эту работу грант MacArthur в 2007 году. Эти структуры послужили затравками для запрограммированной самосборки.
Исследователи спроектировали несколько версий прямоугольника ДНК-оригами размером 95 на 75 нанометров, которые служили затравками для роста различных ленточных кристаллов ДНК. Затравки смешивали в пробирке с другими фрагментами ДНК («плитками»), нагревали, а затем медленно охлаждали.
«При охлаждении сначала формируются затравка оригами и отдельные плитки, но они еще не склеиваются друг с другом. Затем, при более низкой температуре, плитки начинают прилипать друг к другу и к оригами. Критическая концепция здесь в том, что ДНК-плитки образуют кристаллы только если процесс инициирован затравкой, на которой они могут расти», — объясняет Уинфри.
Таким образом, ДНК-ленты самоорганизуются, но только в формы, заданные исходной затравкой, например, ленты определенной ширины или с полосатым рисунком.
Эта работа «демонстрирует беспрецедентную степень контроля над информационно-направленной молекулярной самосборкой по точности и сложности», что, по словам Уинфри, позволяет лучше понять, как программировать информацию в молекулах для управления алгоритмическими процессами.
Источник: California Institute of Technology