Использование живых клеток как фабрик нанотехнологий
Ученые в области нанотехнологий часто ограничены количеством исходных материалов. Исследователь Хао Ян из Института Biodesign Университета штата Аризона обошел эти ограничения, используя клетки как фабрики для создания ДНК-наноконструкций внутри живой клетки.
Результаты опубликованы в раннем онлайн-издании Proceedings of the National Academy of Sciences.
Ян специализируется в области структурной ДНК-нанотехнологии, где основные химические единицы ДНК (C, T, A, G) самосворачиваются в строительные блоки, которые далее самоорганизуются в структуры с заданным рисунком.
«Это хороший пример искусственных наноструктур, которые можно реплицировать с помощью механизмов живых клеток. Клетки действительно хорошо создают копии двуцепочечной ДНК, и мы использовали клетку как копировальный аппарат для производства множества сложных ДНК-наноконструкций».
До сих пор ДНК-нанотехнология была ограничена необходимостью химического синтеза всего материала с нуля и оставалась наукой «в пробирке».
«Если вам нужно сделать один грамм ДНК-наноконструкции, вам нужно заказать один грамм исходных ДНК-материалов... Мы всегда мечтали масштабировать ДНК-нанотехнологию. Один из способов — использовать клеточную систему, потому что простая ДНК может реплицироваться внутри клетки. Мы хотели узнать, может ли клеточная копировальная машина работать с одноцепочечными ДНК-наноконструкциями, содержащими сложные вторичные структуры».
Для проверки исследователи воспроизвели первые разветвленные наноструктуры из ДНК — крестообразное соединение с четырьмя ответвлениями и другое соединение с иной топологией.
Чтобы копировать эти структуры внутри клетки, команда поместила необходимую ДНК в фагмид (вирусоподобную частицу), который инфицировал бактериальную клетку. Попав внутрь, фагмид использовал клетку как копировальный аппарат для воспроизведения миллионов копий ДНК. Теоретически, начав с одной инфицирующей фагмидом клетки в 1 мл культуры, можно получить триллионы ДНК-соединений.
Созданные в клетках ДНК-наноконструкции сворачивались правильно, как и их аналоги из пробирки. Результаты также доказали, что наноструктуры существуют и выживают во время обычных циклов репликации и деления клетки.
«Когда ДНК-наноконструкция реплицируется, она существует и может пережить сложную клеточную машинерию. Похоже, клетка может терпеть такую структуру и все еще выполнять свою работу. Это удивительно».
Ян отмечает, что это лишь первый шаг, и впереди много интересных вариаций ДНК для изучения.
«Тот факт, что естественная клеточная машинерия может терпеть искусственные ДНК-объекты, весьма интригует, и мы еще не знаем, где предел».
Эта технология может позволить изменять и эволюционировать ДНК-наноконструктуры с помощью клеточной системы и открыть возможности для приложений в синтетической биологии.
«Я очень взволнован будущим ДНК-нанотехнологии, но предстоит много работы. Интересная тема для исследований — взаимодействие ДНК-наноконструкций с живыми клетками; это полно возможностей».
Источник: Университет штата Аризона