Самые маленькие в мире обручальные кольца
Создание искусственных структур из ДНК — цель ДНК-нанотехнологии. Эта новая дисциплина, объединяющая биологию, физику, химию и материаловедение, использует способность природных цепей ДНК к самосборке. В капле воды из ДНК создавали смайлики или маленькие коробочки размером всего в десятки нанометров.
Профессор Александр Хекель и его аспирант Торстен Шмидт из «Кластера передового опыта по макромолекулярным комплексам» Франкфуртского университета смогли создать два кольца ДНК размером всего 18 нанометров и сцепить их, как два звена цепи. Такая структура называется катенан, термин происходит от латинского слова catena (цепь). Шмидт, который женился во время работы над нанокольцами, считает, что это, вероятно, самые маленькие в мире обручальные кольца.
С научной точки зрения эта структура — веха в области ДНК-нанотехнологии, поскольку два кольца катенана, в отличие от большинства уже созданных ДНК-наноархитектур, не являются фиксированными образованиями, а — в зависимости от условий окружающей среды — свободно поворачиваются. Поэтому они подходят в качестве компонентов молекулярных машин или молекулярного мотора.
«Нам еще далеко до того, чтобы такие структуры ДНК, как катенан, можно было использовать в повседневных предметах, — говорит профессор Александр Хекель. — Но в ближайшем будущем структуры ДНК можно будет использовать для организации и изучения белков или других молекул, которые слишком малы для прямого манипулирования, с помощью самоорганизации». Таким образом, ДНК-наноархитектуры могут стать универсальным инструментом для наномира, доступ к которому затруднен.
При создании ДНК-наноархитектуры ученые используют правила спаривания четырех нуклеотидных оснований ДНК, благодаря которым две природные цепи ДНК могут найти друг друга (в ДНК-наноархитектуре порядок оснований не имеет биологического значения). A на одной цепи спаривается с T на другой, а C комплементарен G. Задача состоит в том, чтобы создать последовательности задействованных цепей ДНК таким образом, чтобы желаемая структура строилась сама собой без прямого вмешательства экспериментатора. Если комплементарны только определенные части используемых цепей, можно создавать ответвления и соединения.
Как сообщили Шмидт и Хекель в журнале Nano Letters, для катенанов они сначала создали два С-образных фрагмента ДНК. С помощью специальных молекул, которые действуют как специфичный к последовательности «клей» для двойной спирали, они расположили «С» таким образом, чтобы образовались два соединения, при этом открытые концы «С» были направлены друг от друга. Катенан был создан путем добавления двух цепей, которые присоединяются к все еще открытым концам двух фрагментов колец. Торстен Шмидт посвятил публикацию своей жене, доктору Диане Гонсалвес Шмидт, которая также ценит эту работу на научном уровне, поскольку она также была частью рабочей группы Александра Хекеля.
Поскольку кольца намного меньше длин волн видимого света, их нельзя увидеть в стандартный микроскоп. «Пришлось бы соединить около 4000 таких колец, чтобы достичь диаметра человеческого волоса», — говорит Торстен Шмидт. Поэтому он визуализирует катенаны с помощью сканирующего силового микроскопа, который сканирует кольца, помещенные на поверхность, с помощью чрезвычайно тонкого острия.