ДНК-оригами: сложенная ДНК как строительный материал для молекулярных устройств

Живые организмы используют ДНК для хранения генетической информации. Воспроизведение этой информации возможно благодаря идеальному соответствию нуклеотидов ДНК — A и T, G и C — как частей пазла. Инженеры могут использовать это соответствие длинных цепей нуклеотидов ДНК, чтобы применять её в качестве молекулярного оригами, сворачивая в наноразмерные структуры — от художественных изображений до серьёзных устройств для доставки лекарств.

Пол Ротемунд, исследовательский профессор биоинженерии, вычислительных и математических наук, а также вычислений и нейронных систем в Отделе инженерии и прикладных наук Калифорнийского технологического института (Caltech), обсуждает потенциал таких методов.

Чем вы занимаетесь?

Мы используем ДНК и РНК в качестве строительных материалов для создания форм и паттернов с разрешением всего в несколько нанометров. Наименьшие детали в структурах ДНК, которые мы создаём, примерно в 20 000 раз меньше пикселей на самых современных дисплеях (размером около 80 микрон каждый). Значительная часть нашей работы за последние 20 лет была посвящена тому, чтобы заставить цепи ДНК или РНК самостоятельно сворачиваться в заданную, спроектированную на компьютере форму. По мере освоения этой способности мы перешли к использованию этих форм в качестве «пробковых досок» для организации других наноразмерных объектов, таких как белковые ферменты, углеродные нанотрубочные транзисторы и флуоресцентные молекулы.

Почему это важно?

Каждая функция в вашем теле, от переваривания пищи до движения мышц и восприятия света, обеспечивается крошечными биологическими машинами нанометрового масштаба, построенными «снизу вверх» путём самосборки молекул, таких как белки и РНК. Миллиарды транзисторов в чипах наших телефонов и компьютеров имеют размер в десятки нанометров, но создаются «сверху вниз» с помощью сложных процессов печати на фабриках стоимостью в миллиарды долларов. Наша цель — научиться создавать сложные искусственные устройства так, как это делает биология, — начиная с самоорганизующихся молекул, которые собираются в более крупные и сложные структуры. Помимо значительно более дешёвых устройств, это откроет совершенно новые возможности, например, создание искусственных молекулярных машин, способных принимать сложные терапевтические решения и применять лекарства только там, где это необходимо.

Как вы пришли в эту сферу?

Будучи студентом Caltech, я с большим трудом пытался решить, как совместить свои разнообразные интересы в информатике, химии и биологии. К счастью, покойный Ян Л. А. ван де Снепсхёйт познакомил свой курс по информатике с гипотетической идеей создания ДНК-машины Тьюринга — очень простой машины, способной, тем не менее, запускать любую возможную программу. Он бросил нам вызов, предположив, что тот, кто разбирается и в биохимии, и в информатике, сможет придумать конкретный способ построить такой ДНК-компьютер. Для проектного курса по теории информации под руководством Ясера Абу-Мостафы, профессора электротехники и информатики, я придумал довольно неэффективный, но возможный способ сделать это. В то время мне не удалось заинтересовать ни одного профессора Caltech в создании моего ДНК-компьютера, но вскоре после этого профессор USC Лен Эдлман опубликовал в журнале Science статью о более практичном ДНК-компьютере. Я присоединился к лаборатории Эдлмана в USC в качестве аспиранта и с тех пор пытаюсь использовать ДНК для создания компьютеров или других сложных устройств. Я вернулся в Caltech в качестве постдока в 2001 году и стал исследовательским профессором в 2008 году.