Skrzynka zbudowana z DNA

Wykorzystując wyłącznie DNA, naukowcy w Danii skonstruowali maleńkie pudełko z pokrywką, które można albo zamknąć na klucz, albo — za pomocą zestawu kluczy DNA — otworzyć zawias. Podczas gdy inne grupy eksperymentowały z wykorzystaniem origami DNA do budowy obiektów trójwymiarowych, nowe pudełko opisane w tym tygodniu Natura , wyróżniają się solidnymi bokami i ruchomymi częściami.

Cukier dezoksyrybozowy w kostkach: Ponieważ komplementarne regiony DNA lubią się łączyć w pary, naukowcy byli w stanie zaprojektować długą nić DNA, która w połączeniu z wieloma maleńkimi zszywkami DNA automatycznie połączy się w pudełko wielkości nano. Ta technika jest znana jako origami DNA. Tutaj pudełka zostały zobrazowane za pomocą tomografii krioelektronowej, aby potwierdzić ich sześcienną strukturę i puste wnętrze.

To dość piękna struktura molekularna, mówi John Reif , wybitnego profesora informatyki na Duke University, który nie był zaangażowany w badania. Po raz pierwszy taka nanostruktura miała programowalną i sterowalną pokrywę.

Na razie pudełko służy jako dowód zasady, że origami DNA można przystosować do tworzenia skomplikowanych trójwymiarowych struktur, mówi Jørgen Kjems , biolog molekularny z Centrum Nanotechnologii DNA Uniwersytetu w Aarhus, który kierował badaniami. Uważa on jednak, że w przyszłości pojemnik o rozmiarach nanometrowych będzie można dostosować do szerokiego zakresu zastosowań, od pojazdu do dostarczania leków po bramkę logiczną.

DNA jest idealnym materiałem do budowy nanostruktur. Łatwo jest produkować masowo: Kjems i jego zespół przejęli wirusa, aby wyprodukować kopie zaprojektowanej przez siebie sekwencji. I składa się w prosty, przewidywalny sposób zgodnie z kolejnością. Aby zaprojektować pudełko, zespół z Aarhus opracował program komputerowy do generowania ciągłej jednoniciowej sekwencji DNA, która wraz z mniejszymi fragmentami DNA, które działają jak zszywki, samoorganizuje się w pożądany kształt.

Sekwencja została opracowana z wieloma komplementarnymi regionami, tak aby automatycznie składała się w sześć mniej więcej kwadratowych arkuszy przypominających harmonijkę – boki pudełka – w oparciu o naturalną tendencję DNA do łączenia się w podwójne nici. Zszywki DNA, również napędzane parowaniem komplementarnych sekwencji, zszyły razem krawędzie arkuszy, tworząc pusty sześcian z wieczkiem na zawiasach.

Aby zamknąć pokrywę, Kjems i jego koledzy stworzyli dwa maleńkie zatrzaski DNA z lepkimi końcami. W normalnych warunkach zatrzaski przylegają do pudełka, przytrzymując je zamknięte. Ale kiedy dodawane są dwa odpowiadające klucze DNA, zatrzaski łączą się z nimi, umożliwiając otwarcie pokrywy. Para cząsteczek barwnika, jedna przymocowana do brzegu pudełka, a druga do jego wieczka, świeci na czerwono, gdy są blisko siebie i na zielono, gdy są daleko od siebie, zapewniając łatwy sposób na wykrycie, czy pudełko jest zamknięte, czy otwarte.

Myśl nieszablonowo: Nanopudełka, przedstawione tutaj na szaro, mogą pewnego dnia przenosić leki do określonych miejsc w ciele lub służyć jako bramki logiczne w komputerze opartym na DNA. Wieczko każdego pudełka jest zwykle zamykane na zatrzask dwiema parami komplementarnych fragmentów DNA (niebieskim i pomarańczowym). Ale kiedy do miksu doda się odpowiednie klucze DNA (również niebieski i pomarańczowy), przeszkadzają one w zatrzaskach i pozwalają na otwieranie pokrywek. Fluorescencyjne znaczniki barwnikowe świecą na czerwono, gdy pudełko jest zamknięte i na zielono, gdy jest otwarte.

W przypadku trójwymiarowych struktur, takich jak ta, prawdziwym wyzwaniem nie jest zaprojektowanie obiektu, ale udowodnienie, że został on pomyślnie uformowany, mówi Paweł Rothemund , informatyk z California Institute of Technology, który opracował prostą technikę tworzenia struktur DNA. Naukowcy zastosowali kilka różnych metod obrazowania, aby upewnić się, że pudełka zmontują się zgodnie z planem. Wykonali bardzo przekonującą robotę, pokazując, że zrobili to, co myśleli, że zrobili, co jest naprawdę ważne, mówi Rothemund. A teraz mogą spróbować go rozwinąć i sprawić, by faktycznie coś zrobił.

Kjems ma kilka pomysłów na to, co mogą zrobić pudełka. Jedną z możliwości jest załadowanie ich lekami i zaprogramowanie otwierania powiek w odpowiedzi na jakąś biologiczną wskazówkę wewnątrz organizmu – na przykład obecność wirusa lub genu raka – uwalniając w ten sposób ich terapeutyczny ładunek.

Jest sposób, w którym są bardziej interesujące niż prawie każdy inny schemat nanokapsułkowania, który można wymyślić w tym celu, ponieważ mają te nieskończenie programowalne pokrywy, mówi Rothemund. To jest coś, czego nie może zaoferować żaden inny rodzaj kapsułki z nanolekami.

Jednak do zastosowań terapeutycznych jeszcze daleko. Chociaż pudełka są teoretycznie wystarczająco solidne, aby zapobiec wyciekaniu dużych molekuł i wystarczająco przestronne, aby zamknąć rybosom lub małego wirusa, naukowcy nie próbowali jeszcze niczego w nich umieścić. I jak dotąd pudełka funkcjonują tylko w probówce. W przeciwieństwie do niektórych innych pojazdów dostarczających nanotechnologię, nie ma jeszcze dowodów na bezpieczeństwo lub skuteczność urządzeń opartych na DNA w żywych systemach.

Ale skrytki nie muszą mieć ładunku, aby okazały się przydatne. Kjems przewiduje również przekształcenie ich w komponenty elektroniczne. Ponieważ mają dwa różne klucze, skrzynki działają jak bramki AND, otwierające się (i świecące na zielono) tylko wtedy, gdy oba klucze są obecne. Po kilku prostych poprawkach mogą one również służyć jako bramki NOT lub bramki OR. W zasadzie, mówi Kjems, można by zbudować komputer DNA z tych pudełek.

ukryć