Новый виток в ДНК-оригами: Мета-ДНК структуры преобразуют мир ДНК-нанотехнологий
Команда ученых из Университета штата Аризона (ASU) и Шанхайского университета Цзяо Тон (SJTU) под руководством Хао Яня объявила о создании нового типа мета-ДНК структур, которые откроют новые возможности в оптоэлектронике и синтетической биологии.
Исследование, опубликованное в Nature Chemistry, демонстрирует, как концепция самосборки мета-ДНК может трансформировать микроскопический мир структурной ДНК-нанотехнологии.
Преодоление масштабного барьера
Изобретение ДНК-оригами, где длинная одноцепочечная ДНК (ssDNA) складывается в заданные формы с помощью сотен коротких "скрепок", стало вехой. Однако сборка более крупных (микронных и миллиметровых) ДНК-архитектур оставалась сложной задачей, ограничивая применение технологии. Новые микронные структуры сопоставимы по размеру с шириной человеческого волоса, что в 1000 раз больше исходных ДНК-наноструктур.
Принцип мета-ДНК
Ученые разработали стратегию "мета-ДНК" (M-DNA), позволяющую структурам субмикронного и микронного масштаба самособираться аналогично тому, как короткие цепи ДНК собираются в наномасштабе.
В качестве основы использовалась наноструктура ДНК-оригами в виде пучка из 6 спиралей субмикронного размера. Она выступала в роли увеличенного аналога одноцепочечной ДНК. Две такие мета-ДНК с комплементарными "мета-основаниями" могут формировать двойные спирали с запрограммированной хиральностью и шагом спирали.
Созданные структуры и динамика
Используя мета-ДНК как строительные блоки, ученые создали ряд архитектур:
- Мета-мультиплечевые соединения
- 3D-полиэдры (тетраэдры, октаэдры, призмы)
- Различные 2D и 3D решетки
Также была продемонстрирована иерархическая реакция замещения цепей на мета-ДНК, что переносит динамические свойства обычной ДНК на мета-масштаб.
С помощью вычислительного моделирования (coarse-grained model) удалось смоделировать структуру двухцепочечной M-DNA и понять разный выход лево- и правозакрученных структур.
Перспективы и значение
В будущем с помощью M-DNA можно будет рационально проектировать:
- Более сложные схемы и молекулярные моторы
- Наноприборы для биосенсорики и молекулярных вычислений
Эта стратегия трансформирует ДНК-нанотехнологию, перенося ее с нано- на микроскопический масштаб. Создание сложных статических и динамических структур в микронном масштабе откроет новые приложения:
- Использование в качестве каркаса для организации сложных функциональных компонентов
- Моделирование более сложных поведений, имитирующих клетку или клеточные компоненты, с помощью комбинаций иерархических реакций замещения цепей на основе M-DNA.