Нанотехнологии на основе ДНК

Дважды пересекающаяся структура из ДНК в геле.

Нанотехнологии на основе ДНК (англ. DNA nanotechnology) — разработка и производство искусственных структур из нуклеиновых кислот для технологического использования. В этой научной области нуклеиновые кислоты используются не как носители генетической информации в живых клетках, а в качестве материала для нужд небиологической инженерии наноматериалов.

В технологии используются строгие правила спаривания оснований нуклеиновых кислот, которые для формирования прочной жесткий структуры двойной спирали допускают только связывание вместе частей нитей с комплиментарными последовательностями оснований. Исходя из этих правил, появляется возможность инженерного проектирования последовательности оснований, которая будет выборочной сборкой образовывать сложные целевые сруктуры с точно настроенными наноразмерными формами и свойстваи. В основном, для создания материалов используется ДНК, однако были построены и структуры с включением других нуклеиновых кислот, таких как РНК и пептидо-нуклеиновые кислоты (ПНК), позволяя использовать для описания поля технологий название «нанотехнологии на основе нуклеотидных оснований»^[1][2] .

Основная концепция нанотехнолгий на основе ДНК была впервые предложена в начале 1980-х годов Нардианом Симэном (англ. Nadrian Seeman), и в середине 2000-х годов это поле для исследований начало привлекать широкий интерес. Исследователи, работающие в новой появляющейся области технологий, создали статические структуры, такие как двух- и трёхмерные кристаллические решётки, нанотрубки, многогранники и другие произвольные формы, а также — функциональные структуры, такие как молекулярные машины и ДНК-компьютеры.

Для сборки этих структур используется множество методов, включая: плиточные структурирование, где плитки собираются из более мелких структур, складывающиеся структуры, создаваемые с помощью метода ДНК-оригами, и динамически перестраиваемые структуры, создаваемые с использованием методов перемещения пряди. Исследовательское поле начинает использоваться в качестве инструмента для решения проблем фундаментальной науки в областях структурной биологии и биофизики, включая прикладные задачи кристаллографии и спектроскопии для определения структуры белка. Также ведутся изыскания для потенциального применения в масштабируемой молекулярной электронике и наномедицине.

Основные понятия

Свойства нуклеиновых кислот

Эта четрёхнаправленная связь в ДНК-перекрёстке, которая даёт наибольшее количество правильных спаренных оснований, в которых A подходит к T и C подходит к G^[3][4].

Дважды пересекающаяся сверхмолекулярная конструкция, состоящая из пяти одиночных нитей ДНК, которые образуют две двойно-спиральных области, сверху и снизу этого изображения. Представлены две точки пересечения, где ветви пересекаются и образуют пересечение областей.^[3]

Под нанотехнологиями часто подразумевают изучение материалов и устройств, размеры составляющих которых меньше 100 нм. Нанотехнологии на основе ДНК, в частности, являются примером восходящей самосборки молекул, в которых молекулярные компоненты спонтанно организуются в устойчивые структуры; конкретный вид этих структур определяется физическими и химическими свойствами составляющих, выбранных конструкторами^[5]. В нанотехнологиях на основе ДНК маетриалом составляющих являются нити нуклеиновых кислот, таких как ДНК, которые хорошо подходят для строительства наноразмерных объектов, поскольку двойная спираль из нуклеиновых кислот имеет диаметр 2 нм и длину одного участка оборота на 360° — 3,5 нм.

Ключевой особенностью, которая делает нуклеиновые кислоты более удобными для построения структур, отличающая их от других материалов, является то, что крепление между двумя нуклеиновыми кислотами зависит от простых и хорошо изученных правил спаренных оснований, при этом оно образует чётко определенную структуру, что в совокупности позволяет легко сборкой структур из нуклеиновых кислот через проектирование нуклеиновых кислот. Это особенность отсутствует в других нанотехнологичных материалах, в том числе — белках, проектирование которых очень затруднительно, а также — наночастицах, которые не имеют возможностей для управляемой самосборки^[6].

Структура молекулы нуклеиновой кислоты состоит из последовательности нуклеотидов, которые различаются по содержащимся в них азотистым основаниям. В ДНК представлены четыре основания: аденин (А), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (Т). Нуклеиновые кислоты обладают тем свойством, что молекулы, в процессе образования двойной спирали, связываются друг с другом только если две последовательности азотистых оснований комплиментарны. Т.е. это значит, что они образуют подходящие последовательности пар оснований, в которых А прикрепляется только к T, а С прикрепляется только к G^[6][7]. Поскольку формирование правильно подобранных пар оснований является энергетически выгодным, ожидается, что нуклеиновые кислоты в большинстве случаев связываются друг с другом в конформации, которая максимизирует количество правильно спаренных оснований. Таким образом, последовательности оснований в системе нитей позволяют определять образец связки и общую структуру объекта легко контролируемым путём. В нанотехнологиях на осове ДНК, последовательности оснований нитей определяются исследователями так, что взаимодействия спаривания заставляют нити собирать заданные конформации^[4][6].

Подполя исследований

Нанотехнологии на основе ДНК иногда делят на два пересекающихся подполя: структурные нанотехнологии на основе ДНК и переменчивые нанотехнологии на основе ДНК. В структурных нанотехнологиях на основе ДНК (иногда — сокращённо СНнД (англ. SDN) основное внимание уделяется синтезу и характеристике нуклеиновых материалов и комплексов, которые собираются в конечные равновесные состояния. В то же время, переменчивые нанотехнологии на основе ДНК сосредоточены на комплексах с полезным неравновесным поведением, чьи состояния можно поменять путём химического или физического стимула. Некоторые наноразмерные комплексы, такие как нуклеиновые кислоты наномеханических устройств, сочетают в себе черты обоих (структурного и переменчивого) подполей^[8][9].

Конструкции, построенные в рамках нанотехнологий на основе ДНК используют топологически разветвленные структуры нуклеиновых кислот, содержащие соединения. (В отличие от большинства биологических ДНК, существующих в виде неразветвленной двойной спирали). Одной из простейших разветвленных сборок является четрыёхнаправленный узел, который состоит из четырех отдельных нитей ДНК, части которых комплиментарны по определенной схеме. В отличие от естественной структуры Холидея, каждое направление в неподвижном искусственном узле имеет отличную от других последовательность оснований, в результате чего точки соединения оказываются в строго определённом месте. В одной сборке могут быть объединены множественные переходы, например, в широко используемое двойное пересечение (ДП (англ. DX)), которое содержит две параллельных области двойных спиралей со взаимным пересечением прядей областей в двух различных точках. Каждая точка пересечения топологически сама является четырёхнаправленным узлом, при этом ограничена в одной ориентации. Так что в отличие от гибкого одиночного четрёхнаправленного узла, двойное пересечение обеспечивает жёсткость, что делает его подходящим строительным блоком для увеличения сборок ДНК^[6][4].

Переменчивые нанотехнологии на основе ДНК для того, чтобы обеспечить возможность перестроить сборку нуклеиновых кислот (в ответ на добавление новой нуклеиновой кислоты), используют механизм, называемый «опороопосредованное смещение нитей» (англ. toehold-mediated strand displacement). В этой реакции входящая нить связывается с одноцепочечной опорной областью двухцепочечной сборки, а затем — вытесняет одну из связанных оригинальной сборки при помощи процесса «миграции ветви». Как результат, одна из ветвей сборки заменяется другой^[8]. Кроме того, перестраиваемые сборки и устройства можно создавать используяю функциональные нуклеиновые кислоты, такие как дезоксирибозимы и рибозимы, которые способны производить химические реакции и аптамеры, которые могут связываться со специфическими белками или небольшими молекулами^[10].

Галерея

Слева: модель плитки из ДНК, используемая для создания другой двумерной периодической решётки. Справа: атомарная усиливающая микрофотография собранной решётки^[11][12].

Пример апериодической двумерной решетки, которая собирается во фрактальный узор. Слева: фрактальный Треугольник Серпинского. Справа: массивы из ДНК, которые представляют отображение Треугольника Серпинского на своих поверхностях^[13].

Примечания

1. ↑ RNA nanotechnology: Chworos, Arkadiusz; Severcan, Isil; Koyfman, Alexey Y.; Weinkam, Patrick; Oroudjev, Emin; Hansma, Helen G.; Jaeger, Luc (2004). «Building Programmable Jigsaw Puzzles with RNA». Science 306 (5704): 2068–2072. DOI:10.1126/science.1104686. PMID 15604402. Bibcode: 2004Sci...306.2068C.
2. ↑ RNA nanotechnology: Guo, Peixuan (2010). «The Emerging Field of RNA Nanotechnology». Nature Nanotechnology 5 (12): 833–842. DOI:10.1038/nnano.2010.231. PMID 21102465. Bibcode: 2010NatNa...5..833G.
3. ↑ ^{1 2} Overview: Mao, Chengde (December 2004). «The emergence of complexity: lessons from DNA». PLoS Biology 2 (12): 2036–2038. DOI:10.1371/journal.pbio.0020431. PMID 15597116.
4. ↑ ^{1 2 3} Overview: Seeman, Nadrian C. (June 2004). «Nanotechnology and the double helix». Scientific American 290 (6): 64–75. DOI:10.1038/scientificamerican0604-64. PMID 15195395.
5. ↑ Background: Pelesko John A. Self-assembly: the science of things that put themselves together. — New York: Chapman & Hall/CRC, 2007. — P. 5, 7. — ISBN 978-1-58488-687-7
6. ↑ ^{1 2 3 4} (2010) «Nanomaterials based on DNA». Annual Review of Biochemistry 79: 65–87. DOI:10.1146/annurev-biochem-060308-102244. PMID 20222824.
7. ↑ Background: Long Eric C. Fundamentals of nucleic acids // Bioorganic chemistry: nucleic acids. — New York: Oxford University Press, 1996. — P. 4–10. — ISBN 0-19-508467-5
8. ↑ ^{1 2} Dynamic DNA nanotechnology: Шаблон:Cite doi
9. ↑ Structural DNA nanotechnology: (November 2007) «An overview of structural DNA nanotechnology». Molecular Biotechnology 37 (3): 246–257. DOI:10.1007/s12033-007-0059-4. PMID 17952671.
10. ↑ Dynamic DNA nanotechnology: Шаблон:Cite doi
11. ↑ Other arrays: (March 2004) «Protein Nanomachines». PLoS Biology 2 (3). DOI:10.1371/journal.pbio.0020073. PMID 15024422.
12. ↑ Шаблон:Cite doi
13. ↑ Algorithmic self-assembly: Rothemund, Paul W. K.; Papadakis, Nick; Winfree, Erik (December 2004). «Algorithmic self-assembly of DNA Sierpinski triangles». PLoS Biology 2 (12): 2041–2053. DOI:10.1371/journal.pbio.0020424. PMID 15583715.