Ученые создали строительные «наноблоки» из ДНК, способные самостоятельно собираться в сложные структуры, например, наноконтейнеры и небольшие объекты нанометрового размера. Технология базируется на природной склонности ДНК к скручиванию, что позволяет формировать универсальные и регулируемые наноструктуры. Такой подход может открыть новые возможности в биотехнологии и электронике.
ДНК — прекрасный материал для создания наноструктур из-за специфических мест связывания, простоты синтеза и возможности химической модификации. Один из перспективных подходов — «ДНК-оригами», основанный на способности нитей складываться. Длинные одноцепочечные молекулы ДНК складываются и соединяются в сшитые наноструктуры при помощи более коротких нитей, которые служат скрепками для образования двухспиральной структуры.
Практическое использование ДНК-оригами ограничивается увеличением длины и сложности наноструктур. Длина нитей для складывания обычно не превышает 10 тысяч нуклеотидов. Исследования показывают, что сборка субъединиц ДНК может стать ключом к преодолению этого ограничения. Этот подход дает низкий выход двумерных наноструктур, а трехмерным не хватает стабильности.
Другие методы обычно основываются на закрепленных связях подэлементов, обеспечивая высокую стабильность. Но для перестройки наноструктур нужна большая гибкость и простое перепрограммирование компонентов.
Для решения этих задач команда из Наноинститута при Сиднейском университете (Австралия) предлагает модульные ДНК-«воксели» с переключаемыми внутренними и внешними связями, которые могут принимать неактивное, жесткое и гибкое состояния. Воксели обладают трехмерностью, в отличие от двумерных пикселей, что позволяет создавать универсальное оригами из ДНК, способное самособираться в сложные трехмерные структуры.
Благодаря универсальности такой возможности можно создавать высокопрограммируемые наноструктуры, приспособленные к выполнению конкретных функций. По словам Шелли Викхэм из Сиднейского университета, соавтора исследования: «Полученные результаты немного напоминают результаты, получаемые при использовании детской инженерной игрушки Meccano. Вместо использования металла или струн в макроскопическом масштабе мы используем биологию в нанометрическом для создания роботов с огромным потенциалом».
Сборка блоков с применением молекулярной липучки.
Первый этап подхода, изложенный в журнале. Процесс включает изготовление вокселей из ДНК, выделенной из вируса-бактериофага. ДНК сворачивается в цилиндры, создавая отдельные строительные блоки. Для формирования более крупных конструкций воксели самоорганизуются с помощью коротких синтетических нитей, которые выступают как программируемые места связывания в заранее заданных точках.
Учёные создали триста коротких фрагментов ДНК, каждый со своей особенной последовательностью для привязки к определённым участкам. Эти участки похожи на липучки разного цвета, предназначенные для соединения только нитей того же цвета. — Точный контроль способа соединения вокселей дает возможность создавать настраиваемые наноструктуры, — объясняет ведущий автор исследования Минь Три Луу.
Исследователи изготовили более пятидесяти нанометрических структур, среди которых дракон, динозавр и макет Австралии размером всего 150 нанометров, для оценки точности и эффективности методики. Сложность этих структур предполагает использование компактных и гибких деталей, которые невозможно собрать случайно. Работа демонстрирует перспективность применения ДНК-оригами в создании универсальных и настраиваемых наноструктур. », — говорит Луу.
Потенциальные применения в наномедицине и электронике
Технология позволяет создавать наноконтейнеры для направленной доставки лекарств. Можно сконструировать контейнеры, реагирующие на биологические сигналы (температура, pH, уровень гормонов и т. д.), чтобы лекарство отпускалось только в целевую область. Такой подход повысит эффективность лечения и минимизирует побочные эффекты. Автономные нанороботы для обнаружения и уничтожения раковых клеток также могут найти применение.
Ученые исследуют создание новых вокселей, которые могут изменять характеристики при воздействии внешних факторов. Данное исследование демонстрирует возможности использования нанороботов для решения множества задач: от медицины до разработки инновационных электронных приборов. », — объясняет Уикхем.
Команда изучает способы повышения эффективности обработки оптических сигналов с использованием свойств ДНК-оригами. Такой подход может увеличить скорость и точность обработки, что приведет к новым технологиям визуализации и обнаружения.