Однако до сих пор в распоряжении исследователей нет инструментов, которые позволили бы более крупным одноцепочечным последовательностям автономно расти, а затем соединяться друг с другом из конца в конец в соответствии с планом молекулярного дизайна, что позволяет создавать структуры и устройства с разнообразными формами. возможности.Опубликованное сегодня в журнале Nature Chemistry исследование Пэн Инь из Гарвардского института биологической инженерии Висс предлагает широко применимое решение этой проблемы. Инь и его команда разработали метод, который позволяет заранее спроектированным последовательностям ДНК автономно расти и сцепляться по определенным маршрутам сборки, тем самым обеспечивая основу для нового поколения программируемых молекулярных устройств. Испытав свою новую концепцию так называемых каскадов «реакции обмена праймеров» (PER), они успешно разработали первый набор устройств с разнообразными функциями, такими как самостроение ДНК-оригами и наноструктуры ДНК, которые распознают, усиливают, записывают или логически оценивать сигналы окружающей среды.
Предыдущие методы производили идентичные копии фиксированной более мелкой последовательности, но они не могут добавлять различные синтезированные последовательности друг к другу в определенных шаблонах для автономного создания более крупных сборок без вмешательства пользователя. «Автономные и программируемые функции, которые предлагают каскады PER, могут породить совершенно новое поколение программируемых молекулярных устройств и приложений и закрыть пробелы в конструкторских разработках, для которых уже существует множество движущихся частей», — сказал член основного факультета Института Висса Пэн Инь, доктор философии. ., который руководил исследованием, а также является профессором системной биологии в Гарвардской медицинской школе (HMS). «Мы предоставляем данные, подтверждающие правильность концепции PER, в широком спектре современных приложений синтетической биологии, которые четко подчеркивают широкий потенциал технологии».Команда Института Висса использовала новую концепцию для разработки серии таких транскриптов ДНК PER для самых разных приложений, включая автономный синтез больших наноструктур ДНК, известных как ДНК-оригами, и подходы синтетической биологии, в которых синтез транскрипта ДНК связан с на триггере, таком как связанная с раком малая микро РНК. Их подход PER может даже генерировать транскрипты ДНК в результате логически оцененной комбинации различных триггеров, подобно RNA Ribocomputing Devices, которые команда Инь опубликовала ранее в этом году. Интересно, что транскрипты ДНК PER могут сами стать каталитическими, будучи способными разрезать произвольную РНК-мишень, стать флуоресцентно меченными зондами, которые усиливают присутствие определенного молекулярного стимула, или «молекулярными регистраторами», которые точно указывают порядок, в котором определенные молекулярные сигналы появляются в их окружение.
Для запуска каскада PER необходимы два основных компонента. Один из них называется «каталитическим медиатором шпильки ДНК», который представляет собой одноцепочечную молекулу ДНК, которая частично спаривается сама с собой, образуя структуру шпильки с короткой нависающей одиночной цепью.
Этот выступ предназначен для захвата второго компонента каскадов PER, «праймера», который содержит область, комплементарную выступу. Посредством серии реакций удлинения и вытеснения праймер удлиняется с последовательностью, обеспечиваемой каталитическим медиатором шпильки, а затем удаляется. Это высвобождает каталитический медиатор шпильки для каскадирования следующего раунда процесса, либо за счет захвата нового стартового праймера, либо уже удлиненного праймера — и так далее.
Эти сложные пути синтеза протекают автономно, сравнимо с молекулярным роботом, выполняющим данную задачу, и при одной температуре, что делает технологию очень надежной. «Такой подход дает нам огромную творческую свободу: мы можем не только синтезировать один и тот же фрагмент ДНК снова и снова в качестве новых добавлений к растущей последовательности, но мы также можем изменять типы добавляемых последовательностей ДНК, просто изменяя состав каталитических последовательностей. шпильки ДНК и праймеры в смеси, пока сборка продолжается. Это позволяет нам разветвлять синтез в разных направлениях и замысловато моделировать состав окончательного транскрипта ДНК », — сказала первый автор исследования Джоселин Киши, которая как национальный Научный фонд (NSF) научный сотрудник HMS работает в команде Института Висс Инь. «Сейчас мы работаем над реализацией каскадов PER для различных приложений, включая молекулярные регистраторы, сложную диагностику и визуализацию тканей. Мы также надеемся, что когда-нибудь эти системы можно будет использовать в живых клетках в качестве устройств, которые могут записывать события или перепрограммировать клетки. определенное поведение ", — сказал Киши.«Это новое достижение, которое показывает, как молекулы ДНК могут быть запрограммированы на самосборку в конкретные трехмерные структуры и выполнять заранее определенные функции и задачи, представляет собой важный шаг вперед в области молекулярной робототехники и дает возможность заглянуть в будущее устройств для обеих медицинских и немедицинских приложений ", — сказал директор-основатель Wyss Institute Дональд Ингбер, доктор медицины, доктор философии, который также является профессором сосудистой биологии Джуды Фолкман в HMS и программе сосудистой биологии в Бостонской детской больнице, а также профессором Биоинженерия в Гарвардской школе инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона (SEAS).
Среди других авторов исследования — штатный научный сотрудник Института Висса Томас Шаус, доктор медицины, доктор философии, и научные сотрудники Нихил Гопалкришнан, доктор философии, и Фэн Сюань, доктор философии. Исследование было поддержано Институтом биологической инженерии Висса и исследовательскими грантами Управления военно-морских исследований и NSF, а также стипендиями NSF и Джейн Коффин Чайлдс для получения докторской степени.