Полным-полна нанокоробочка

Нанокоробы из ДНК собираются сами и запираются на ДНК-ключ

Датские учёные заставили ДНК вируса M13 сплетаться в настоящий «нанокороб», который может вместить целую белковую фабрику. Короб «запирается» на ДНК-ключ.

Всё многообразие, которое ползает, бегает, плавает и чирикает вокруг нас или пробивается из-под земли под нашими ногами, обязано жизнью всего четырём нуклеотидам, объединённым в длинные полимерные цепи молекул ДНК и РНК. Конечно чтобы преобразовать эти коды в белки, клетки, организмы и их системы нужны сложные молекулярные механизмы, но и ДНК сама по себе — настоящее чудо природы. Способность нуклеотидов выбирать себе пару и образовывать довольно прочные связи с напарниками позволяет жизни размножаться и делать это так, чтобы потомки были почти точно такими же как их предшественник.

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "click": "on",
    "id": "2810574",
    "incutNum": 1,
    "repl": "<1>:{{incut1()}}",
    "uid": "_uid_2983611_i_1"
}

Учёные, всерьёз занимающиеся строительством крохотных молекулярных машин, не прочь использовать это чудо в своих целях, и уже не один год существует целая отрасль нанотехнологий, которую называют ДНК-оригами. Как и предполагает название, химики здесь пытаются складывать нужные им сложные структуры, используя молекулы ДНК в качестве строительного материала. Однако речь идёт не о том, чтобы вытянуть длинную полимерную цепь за хвост и затем выложить ею заданный рисунок, как школьницы выкладывают на парте сердечки золотыми цепочками.

Задача ДНК-оригами — подобрать такие последовательности ДНК, чтобы потом просто засыпать продукт в пробирку, встряхнуть её и смотреть, как ДНК-цепочки по правилам комплементарности сами по себе складываются в нужные структуры.

Трясти, впрочем, не обязательно: обычно хватает того естественного блуждания молекул в растворе, которое в обиходе называют теплом. Если же не хватает, пробирку можно и нагреть.

Как бы фантастично не выглядела эта задача, технология ДНК-оригами действительно работает. С её помощью учёные уже рутинно плетут нуклеотидные листы нужных форм и, ради демонстрации мощи методики, уже складывали из цепочек ДНК снежинки, улыбающиеся рожицы, крохотные транспаранты с лозунгами и даже целую карту мира.

Теперь пришло время для выхода в третье измерение. В последнем номере Nature опубликована работа специалистов из Дании и Германии. Учёные под руководством Курта Готхельфа и Йёргена Кемса из датского Университета Орхуса описывают процедуру создания трёхмерных коробов из одноцепочечной ДНК вируса-бактериофага и 279 ДНК-нитей, «состёгивающих» генетический материал вируса в объект нужной формы.

Плетёная коробка размером 42x36x36 нанометров³ собирается сама по себе и закрывается крышкой на двух замках, которые можно открыть с помощью специальных молекулярных «ключей».

Короба получаются в два приёма. Сначала из замкнутой цепочки ДНК бактериофага M13 (штамма M13mp18) длиной в 7249 нуклеотидов собираются шесть его граней, а затем происходит сшивка уже самих граней в нужных местах.

Для сборки граней учёные вводят в специальный гель, в котором находятся молекулы ДНК бактериофага, 220 коротких цепочек ДНК длиной по 30-40 нуклеотидов. Эти олигонуклеотиды подбираются специальной компьютерной программой таким образом, чтобы «состегнуть» между собой соседние участки длинной ДНК в нужных местах, а затем синтезируются под заказ. На изображениях, полученных с помощью атомного силового микроскопа, видно, как закольцованная цепочка ДНК после нагрева выкладывается в симпатичные шесть листочков, объединённых в два ряда по 3 грани в каждом.

Затем в раствор вводятся ещё 59 олигонуклеотидов примерно той же длины, задача которых — соединить полученные на первом этапе грани вдоль рёбер, выставив их под углом в 90 градусов друг к другу. После такой «ренатурации» в руках у учёных оказываются полноценные «нанокоробы».

врез №
skin: article/incut(default)
data:

{
    "_essence": "test",
    "incutNum": 2,
    "picsrc": "Реконструкция структуры ДНК-короба с помощью криогенной трансмиссионной электронной микроскопии. Передний короб показан в разрезе, чтобы показать его внутреннюю полость. На деле короб без верхней крышки нестабилен и быстро «складывается». // E.S. Andersen",
    "repl": "<2>:{{incut2()}}",
    "uid": "_uid_2983611_i_2"
}

Чтобы проверить, что образовались именно задуманные трёхмерные структуры, учёным даже пришлось замораживать продукты реакции и исследовать их с помощью трансмиссионной электронной микроскопии. Атомный силовой микроскоп не подошёл, потому что сама его сканирующая игла слишком сильно притягивала отдельные фрагменты граней, деформируя их.

Самое поразительное, что короб можно открывать по команде с помощью специальных ДНК-ключей.

Как проверить, что короб открылся

Чтобы убедиться, что короб открывается, учёные внедрили в стёжки в «крышке» и «стенке» короба специальные жёлто-зелёные флуоресцентные молекулы чуть отличающихся цветов. Они находятся в резонансе друг с другом: одна из молекул перерабатывает внешнее облучение в свет, который вторая молекула эффективно поглощает, перерабатывая энергию в свет третьей длины волны.

Когда короб открыт, первая молекула светит во все стороны, и лишь малая часть её света попадает на вторую молекулу. Когда короб закрыт, две молекулы находятся рядом друг напротив друга, и эффективность переработки внешнего излучения резко увеличивается.

На деле учёные наблюдали, как через несколько десятков секунд после введения в раствор ДНК-ключей в нужном количестве, эффективность преобразования внешнего излучения в излучение второй молекулы резко падала. По-началу процесс идёт по экспоненциальному закону – это ключи находят ещё не открытые коробы.

Готхельф, Кемс и их коллеги ввели в «застёжки» на одной из граней специальные последовательности нуклеотидов, которые торчат из «крышки» и хорошо прилегают друг к другу. Но если в растворе появляются короткие молекулы-ключи, застёжки предпочитают соединяться не друг с другом, а с ключами, потому что к последним они подходят точнее. В итоге застёжки разлепляются и верхняя грань короба легко открывается. Происходит это примерно через минуту после введения ДНК-ключей в раствор, где плавают коробы.

При этом кодовую последовательность ключа можно выбрать, какую хочешь. Учёные, к примеру, сгенерировали псевдослучайную последовательность длиной 8 нуклеотидов.

Однако никто не запрещает использовать в качестве кодовых какие-то реально существующие молекулы, например, микро-РНК, характерные для опухолевых клеток.

В таком случае коробы будут открываться только внутри раковых клеток нужного типа, и, к примеру, вываливать в их цитоплазму «заряды» ядовитых веществ. Размеры короба вполне пристойные: в них может поместиться целая рибосома (клеточная «фабрика» по сборке белков) или вирус полиомиелита, так что заряд может быть внушительным.

Правда пока учёные в своих нанокоробах ничего в реальности не запирали, так что насколько охотно груз выйдет наружу после открытия, неизвестно. И уж тем более они не занимались детальными исследованиями стабильности коробов в живых тканях. По крайней мере в своей статье датчане по этому поводу ничего не пишут.