Посев семени для ДНК-наноконструкций, растущих до микронного масштаба

Исследователи из Института биологически инспирированной инженерии Висса Гарварда и Института рака Дана-Фарбер под руководством Уильяма Ши разработали стратегию программируемой самосборки ДНК, решающую ключевую проблему контроля нуклеации. Метод, названный «перекрёстной полимеризацией» (crisscross polymerization), позволяет инициировать «плетение» нанолент из удлинённых одноцепочечных ДНК («планок») строго зависимым от затравки (seed) событием нуклеации. Исследование опубликовано в Nature Communications.

Проблема существующих подходов:

• ДНК-оригами: имеют строгую зависимость от каркасной цепи, что обеспечивает надёжную сборку «всё или ничего», но их максимальный размер ограничен.
• ДНК-кирпичики: могут собирать гораздо более крупные структуры, но их сборка требует жёстко контролируемых условий, может спонтанно инициироваться без затравки и даёт много неполных структур.

Принцип перекрёстной полимеризации:

Система спроектирована так, что имеет высокий энергетический барьер для спонтанной сборки. Этот барьер можно преодолеть только с помощью затравки, которая связывает и упорядочивает набор «нуклеирующих» планок для совместного захвата «растущих» планок. Это запускает цепную реакцию добавления планок, в результате которой образуются длинные ДНК-ленты. Каждая входящая планка имеет шесть (или восемь) сайтов связывания, каждый из которых соединяется с одним из соседних выступающих участков одноцепочечной ДНК в перекрёстном узоре.

Ключевые достижения метода:

• Строгий контроль нуклеации: на порядки превосходит другие подходы.
• Быстрый рост крупных структур: созданы ДНК-ленты длиной до десятков микрометров, с массой почти в 100 раз больше, чем у типичного ДНК-оригами.
• Программируемость: изменяя конформации и взаимодействия планок, учёные создали ленты с чёткими поворотами и изгибами, получив спиральные и трубчатые структуры.

Перспективы применения:

• Сверхчувствительная диагностика: метод может служить стратегией усиления сигнала в диагностических анализах после образования нанозатравок от специфичных и редких биомаркеров.
• Масштабируемое производство: создание микроразмерных структур с наноразмерными адресуемыми элементами.
• Алгоритмическая самосборка и создание функциональных структур с пространственно разделёнными компартментами.