Эта программа разработки может позволить исследователям создавать каркасы ДНК для закрепления массивов белков и светочувствительных молекул, называемых хромофорами, которые имитируют фотосинтетические белки, обнаруженные в клетках растений, или создавать новые средства доставки лекарств или методов лечения РНК, говорит Марк Бат, сотрудник профессор биологической инженерии.«Общая идея состоит в том, чтобы пространственно организовать белки, хромофоры, РНК и наночастицы с точностью до нанометра с использованием ДНК. Точный контроль нанометрового масштаба, который у нас есть над трехмерной архитектурой, — вот что является уникальным в этом подходе», — говорит Бат. , старший автор статьи, описывающей новый подход к проектированию, в выпуске журнала Nature Communications от 3 декабря.
Ведущими авторами статьи являются постдок Кеяо Пан и бывший постдок Массачусетского технологического института До-Ньюн Ким, который сейчас работает на факультете Сеульского национального университета. Другими авторами статьи являются аспирант Массачусетского технологического института Мэтью Адендорф, профессор Хао Ян и аспирант Фэй Чжан из Университета штата Аризона.ДНК по дизайну
Поскольку ДНК настолько стабильна и может быть легко запрограммирована путем изменения ее последовательности, многие ученые считают ее желательным строительным материалом для наноразмерных структур. Примерно в 2005 году ученые начали создавать крошечные двумерные структуры из ДНК, используя стратегию под названием «ДНК-оригами» — конструирование форм из цепочки «каркаса» ДНК и меньших «основных» цепей, которые связываются с каркасом.
Позднее этот подход был переведен на три измерения.Проектирование этих форм утомительно и требует много времени, а синтез и проверка их экспериментальным путем — дорогостоящая и медленная, поэтому исследователи, включая Бата, разработали компьютерные модели для помощи в процессе проектирования.
В 2011 году Бат и его коллеги разработали программу CanDo, которая могла генерировать трехмерные структуры ДНК, но она была ограничена ограниченным классом форм, которые должны были быть построены на прямоугольной или гексагональной плотноупакованной решетке пучков ДНК.В новой статье Батх и его коллеги сообщают о компьютерном алгоритме, который может брать последовательности каркаса ДНК и скрепляющих цепей и предсказывать трехмерную структуру произвольных запрограммированных сборок ДНК.
С помощью этой модели они могут создавать гораздо более сложные конструкции, чем это было возможно раньше.Новый подход основан на виртуальном разделении последовательностей ДНК на подкомпоненты, называемые многосторонними соединениями, которые являются фундаментальными строительными блоками запрограммированных наноструктур ДНК. Эти соединения, подобные тем, которые образуются в естественных условиях во время репликации ДНК, состоят из двух параллельных спиралей ДНК, в которых цепи раскручиваются и «перекрещиваются», связываясь с цепью соседней спирали ДНК.После виртуального разрезания ДНК на эти более мелкие части программа Bathe затем повторно собирает их в вычислительном режиме в более крупные запрограммированные сборки, такие как кольца, диски и сферические контейнеры, все с нанометровыми размерами.
Программируя последовательности этих компонентов ДНК, дизайнеры также могут легко создавать произвольно сложные архитектуры, включая симметричные клетки, такие как тетраэдры, октаэдры и додекаэдры.«Основное нововведение заключалось в признании того, что мы можем виртуально разрезать эти соединения только для того, чтобы заново собрать их in silico, чтобы предсказать их трехмерную структуру», — говорит Бат. «Предсказание их трехмерной структуры in silico является центральным для разнообразных функциональных приложений, которые мы преследуем, поскольку в конечном итоге именно трехмерная структура дает начало функции, а не только последовательность ДНК».Исследователи планируют сделать свой алгоритм общедоступным в течение следующих нескольких месяцев, чтобы другие разработчики ДНК также могли извлечь из него пользу.
В текущей версии модели дизайнер должен придумать последовательность ДНК, но Бат надеется вскоре создать версию, в которой дизайнер может просто придать компьютерной модели определенную форму и получить последовательность, которая будет создавать эту форму. Это обеспечило бы настоящую трехмерную печать в нанометровом масштабе, где «чернила» — это синтетическая ДНК.
Строительные леса и формыКак только исследователи получают доступ к печати трехмерных наноразмерных объектов ДНК произвольной геометрии, они могут использовать их для множества различных приложений, комбинируя их с другими видами молекул. «Эти объекты ДНК являются пассивными структурными каркасами», — говорит Бат. «Их функция исходит от других прикрепленных к ним молекул».
Один из типов молекул, с которым начал работать Bathe, — это светособирающие молекулы, называемые хромофорами, которые являются ключевым компонентом фотосинтеза. В живых клетках эти молекулы расположены на белковой основе, но белки сложнее преобразовать в наноразмерные сборки, поэтому команда Бата пытается имитировать структуру белкового каркаса с помощью ДНК.
Другое возможное применение — создание каркасов, которые позволят исследователям имитировать сборки бактериального токсина, состоящие из нескольких белковых субъединиц. Например, токсин шига состоит из пяти белковых субъединиц, расположенных в определенной пентамерной структуре, которая позволяет незаметно проникать в клетки. Если бы исследователи смогли воспроизвести эту структуру, они могли бы создать версию, токсичные части которой отключены, так что оставшуюся часть можно будет использовать для доставки лекарств и микро- или информационных РНК.
«Эта нацеливающая субъединица очень эффективна при проникновении в клетки и не вызывает большого количества сигналов тревоги и не приводит к ее разрушению клеточными механизмами», — говорит Бат. «С помощью ДНК мы можем построить каркас для этой входной части транспортного средства, а затем прикрепить его к другим вещам — таким грузам, как микроРНК, мРНК, противораковые препараты и другие терапевтические средства».Исследователи также использовали наноструктуры ДНК в качестве форм для формирования крошечных частиц золота или других металлов.
В недавней научной статье Бат и его коллеги из Института биологической инженерии Висса Гарвардского университета продемонстрировали, что формы ДНК могут формировать золото и серебро в кубы, сферы и более сложные структуры, такие как Y-образные частицы, с запрограммированными оптическими свойствами, которые могут быть предсказанным компьютерной моделью. Этот подход предлагает процедуру проектирования и синтеза наночастиц «на заказ» с различными приложениями в наноразмерной науке и технике.