Учёные создали сложную синтетическую систему с самореплицирующимися наноструктурами

Исследовательская группа под руководством покойного профессора Лян Хаоцзюня из Национальной лаборатории физических наук на микромасштабе в Хэфэе (USTC) разработала простую стратегию, опосредованную энтальпией, для точного контроля репликации и каталитической сборки функционализированных ДНК коллоидов во времени. Это облегчает создание крупномасштабных упорядоченных наноматериалов. Исследование опубликовано в Angewandte Chemie International Edition.

Репликация информации — фундаментальное свойство природы, где нуклеиновые кислоты играют ключевую роль. Однако создание синтетических систем, способных производить крупномасштабные трёхмерно упорядоченные наноматериалы с использованием самореплицирующихся наноструктур, оставалось серьёзной проблемой.

Существующие искусственные самореплицирующиеся системы часто неспособны к программируемой сборке в сложные наноструктуры, что ограничивает их потенциальные функции и применение.

Команда разработала инновационное решение. Используя специфичность ДНК и принципы динамической ДНК-нанотехнологии, они создали систему-шаблон, включающую коллоидные "семена", функционализированные ДНК.

Эти "семена" были связаны с упрощённой подсистемой — схемой замещения цепей ДНК, запрограммированной на производство коллоидных копий с ДНК. Система работала при комнатной температуре, что исключило необходимость сложных и потенциально повреждающих высокотемпературных процессов.

Ключевым нововведением стало использование системы взаимодействий, зависящей от времени, для контроля репликации и каталитической сборки программируемых атомных эквивалентов (PAEs). PAEs, состоящие из коллоидных ядер с ДНК, способны распознавать и связывать комплементарные цепи ДНК через реакции замещения цепей, опосредованные "плацдармом" (TMSD).

Это позволило контролируемо высвобождать катализаторы из системы-шаблона, что, в свою очередь, инициировало репликацию "семян" PAE и сборку копий PAE в сверхрешётки.

Благодаря программируемой сборке ДНК неактивные копии PAE постепенно приобретали те же липкие концы, что и "семена" PAE, что облегчало репликацию и последующую сборку в упорядоченные сверхрешётки. Важно, что система продемонстрировала высокую точность в распознавании и передаче информации шаблона в процессе репликации, обеспечивая верность воспроизведения структур сверхрешёток.

Исследование открывает пути для создания сложных, программируемых, крупномасштабных трёхмерных коллоидных материалов со сверхрешёткой, которые могут найти применение в областях от материаловедения до биотехнологии.