Одна длинная «каркасная» цепь ДНК может быть свернута в определенные формы сотнями более коротких цепей, например. Порядок оснований в каждой короткой цепи действует как план, который определяет окончательную трехмерную форму каркасной ДНК.
Ученые надеются использовать этот метод для разработки молекулярных устройств, которые функционируют как наноразмерные машины или устройства для доставки лекарств, маркеры для медицинских изображений или биологических исследований, а также компоненты для электронных устройств.
Длинные каркасы ДНК, состоящие из более чем 10 000 структурных единиц ДНК, называемых «нуклеотидами», по-прежнему трудно производить и манипулировать ими, что до сих пор ограничивало размер структур оригами.
Также оказалось трудным изучить трехмерную структуру этих наночастиц в их естественном гибком состоянии.
Теперь, впервые, группа исследователей из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab) и Университета штата Огайо сгенерировала трехмерные изображения 129 отдельных молекул гибких частиц оригами ДНК. Их работа представляет собой первую экспериментальную проверку теоретической модели ДНК-оригами.
Методы, используемые здесь, могут быть легко применены к другим типам искусственных структур ДНК-оригами и могут помочь в разработке и оптимизации будущих структур.
Их работа недавно была опубликована в Nature Communications.
Исследовательская группа сосредоточилась на структурах ДНК, смоделированных по основному механизму, называемому «связь Беннета», который представляет собой трехмерную структуру, состоящую из цепочки из четырех стержней, соединенных петлями. Это создает перекошенную четырехугольную форму, в которой петли не параллельны и не расположены на одной линии. Используя связи Беннета в качестве строительных блоков, можно создавать расширяемые полезные конструкции, такие как опоры для палаток, которые можно быстро собрать.
Структуры ДНК-оригами очень сложно изучать, потому что они очень гибкие и хрупкие, и каждая молекула имеет уникальную трехмерную форму. Эта изменчивость делает традиционные методы визуализации, такие как криоэлектронная микроскопия одиночных частиц (крио-ЭМ), менее подходящими. Крио-ЭМ включает в себя обширное компьютерное «усреднение» от тысяч до сотен тысяч подобных молекул. В результате информацию о гибких частях структур ДНК-оригами можно легко усреднить, что дает неполную картину структуры.
Исследователи использовали метод, разработанный в лаборатории Беркли Molecular Foundry, исследовательском центре наноразмерной науки, для изображения отдельных молекул, составляющих эти структуры. Этот метод, называемый электронной томографией отдельных частиц (IPET), делает снимки целевой молекулы под разными углами обзора, а затем объединяет эти изображения для создания одной трехмерной визуализации всей молекулы, подобно тому, как это делается в медицинской компьютерной томографии (КТ). ) сканирование работает.
Исследователи сделали 129 трехмерных изображений с разрешением от 6 до 14 нанометров, что позволило им получить информацию о динамике и гибкости структур ДНК-оригами.
«Реконструкции подтвердили, что связи Беннета обладают высокой степенью структурного разнообразия», — сказал Гэри Рен, штатный научный сотрудник отделения визуализации Molecular Foundry и соруководитель исследования.
Геометрический анализ этих реконструкций показывает, что конформации механизмов сцепления Беннета хорошо согласуются с теоретическими моделями. Когда рычаги близки к своему «открытому» состоянию, «петля» почти полностью выдвинута. Когда структуры приближаются к своей «закрытой» форме, структуры принимают разные формы, становятся чрезвычайно гибкими и искаженными.
«Основываясь на этих результатах и модельных визуализациях связей Беннета, мы можем предложить новую стратегию для улучшения нашего контроля связей Беннета в больших каркасах ДНК», — сказал Рен. «Этот подход включает изменение дизайна последовательностей ДНК около суставов, чтобы сделать структуру жесткой и предотвратить ее искажение около этого сустава."
The Molecular Foundry — это объект для пользователей Управления науки Министерства энергетики США.
Помимо ученых из лаборатории Беркли, в этом исследовании участвовали и другие исследователи из Университета штата Огайо.
Работа поддержана Национальным научным фондом и Национальными институтами здравоохранения.