DNA origami makes it big — ABC Chemicals


Три больших исследовательских группы представили коллекцию больших, сложных объектов, созданных из ДНК, что расширило спектр нанометровых структур, которые может создать самосборка ДНК. Группы, возглавляемые Калифорнийским технологическим институтом (Caltech’s) Лулу Цянем, Гарвардским Пэн Инь и Техническим университетом Мюнхена (TU Munich’s) Хендриком Дитцем, разработали дополнительные методы.

Шон Дуглас из Калифорнийского университета в Сан-Франциско, который не принимал участия в этих исследованиях, подчеркивает, что самые большие структуры ДНК в настоящее время весят миллиарды дальтон и в тысячу раз тяжелее, чем самые большие, которые были десять лет назад. Трубные конструкции Дитца также могут иметь длину до 1000 нанометров, что в десять раз больше, чем у самых больших структур ДНК, которые были ранее.

DNA origami makes it big - ABC Chemicals

Команда Дитца также разработала метод получения нитей ДНК по цене 23 евро (20 фунтов) за миллиграмм, что составляет менее трети от текущей стоимости. И они говорят, что эта цифра потенциально может быть снижена до 0,18 евро за миллиграмм. «При разработке технологий, когда вы видите, что мощность метода увеличивается в 10 раз в сочетании с уменьшением стоимости в 10 раз, это, как правило, предвещает некоторые интересные приложения на горизонте», — говорит Дуглас.

Примечательно, что построению ДНК уже не менее 26 лет, с того момента, как в 1991 году Нед-Симан из Нью-Йоркского университета опубликовал сборку своей группы кубов из десяти нитей ДНК. В последующие годы исследователи создавали все более крупные и сложные объекты ДНК и использовали их. их для вычислительных и механических функций. Одна из ключевых лежащих в основе технологии, известная как ДНК-оригами, основывается на том, чтобы заставить одну длинную нить скаффолда ДНК принять желаемую форму, используя десятки других, более коротких, штапельных нитей.

Дитц говорит, однако, что область несколько «застоялась» с точки зрения приложений. «Большинство… занимают ниши в фундаментальной науке и обычно работают в масштабе микрограмм или даже меньше», — говорит он. Но он добавляет, что обучение построению более крупных и сложных структур может помочь решить эту проблему.

Выравнивание самосборки

Команда Дитца была вдохновлена вирусами, чьи внешние оболочки содержат лишь несколько типов белковых субъединиц, замкнутых в правильные формы. Они исследовали, могут ли субъединицы ДНК-оригами делать то же самое, пробуя разные конструкции и изучая их свойства с помощью криоэлектронной микроскопии. Они обнаружили, что эти субъединицы первого уровня должны были формировать точные формы и быть жесткими, чтобы успешно самостоятельно собираться на втором и третьем уровнях.

«Субъединица должна противостоять столкновениям молекул раствора — грани имеют определенные относительные углы, и если они слишком сильно колеблются, они никогда не образуют замкнутый объект», — объясняет Дитц. Они также не должны связываться слишком плотно, потому что они застрянут в частично сформированных состояниях. «Если у нас достаточно слабые взаимодействия, то субъединицы могут ассоциироваться, но и диссоциировать. Если у вас есть какие-то ошибочно застрявшие субъединицы, они снова падают.

В настоящее время можно создавать гораздо более сложные искусственные молекулярные машины с размерами, аналогичными бактериальным.

Лулу Цянь

В окончательных разработках команды TU Munich использовались V-образные субъединицы оригами ДНК первого уровня, которые могли соединяться в кольца второго уровня диаметром 350 нанометров или «реактивные вершины».1 В зависимости от их формы, реактивные вершины могут соединяться и закрываться друг с другом в клетках размером с вирус третьего размера, которые были тетраэдрическими, гексаэдральными или додекаэдрическими. Самый большой весил 1,2 миллиарда дальтон и содержал 220 единиц ДНК-оригами. Точно так же кольца могут соединяться в третий уровень, трубки длиной 1000 нанометров.

DNA origami makes it big - ABC Chemicals

Хотя подход TU Munich означает, что все сборки должны быть симметричными, многоуровневый подход к сборке команды Caltech создает нестандартные конструкции. Они создают двумерные изображения из мозаики из 64 плиток ДНК-оригами, достигающей 8 704 пикселей и шириной 700 нм.2 «После того, как мы синтезируем каждую отдельную плитку, мы помещаем каждую в свою собственную пробирку, всего 64 пробирки», — объясняет аспирант Цянь Филип Петерсен. «Сначала мы объединяем содержимое определенных пробирок, чтобы получить 16 квадратов два на два. Затем они объединяются определенным образом, чтобы получить четыре трубы каждая с квадратом 4 на 4, а затем последние четыре трубы объединяются, чтобы создать один большой квадрат восемь на восемь, состоящий из 64 плиток. Мы разрабатываем края каждой плитки, чтобы точно знать, как они будут сочетаться ».

Команда Циана называет этот подход сборкой фракталов, сравнивая ее с фрактальными объектами, где элементы повторяются в разных масштабах. Повторение принципов проектирования на разных уровнях позволяет им использовать один и тот же небольшой набор нитей ДНК для построения структур увеличивающегося размера с любым возможным рисунком. «Благодаря фрактальной сборке теперь стало возможным создавать гораздо более сложные искусственные молекулярные машины с размерами, аналогичными бактериальным», — рассказывает Цянь. Мир химии.

Выберите и смешайте кирпичи

В отличие от команд Caltech и TU Munich, Гарвардская группа Пэн Инь не использует ДНК-оригами. Вместо этого его команда строит свою работу на «кирпиче ДНК» 2012 года, в котором 100 отдельных длинных 32 базовых нитей были смешаны в одном горшке для формирования твердых кубов ДНК. Каждая нить уникальна, с четырьмя различными восьмиосновными областями распознавания, изгибающимися в U-образные формы, которые сцепляются в определенных положениях среди четырех других прядей. «Каждый компонент знает, как связываться с четырьмя локальными соседями», — объясняет Инь. Опуская определенные нити из этих кубиков, они оставляют зазоры и образуют двухмерные изображения и маленькие трехмерные объекты.

Команда Инь хотела создать большие трехмерные фигуры с полостями посередине. После нескольких лет работы с использованием более длинных нитей из 52 оснований с четырьмя 13-базовыми областями распознавания они смогли сформировать такие объекты, используя 20 000 уникальных нитей.3 Их конечные кубы имеют размер 100 нанометров с каждой стороны, и весят до миллиарда дальтон.

DNA origami makes it big - ABC Chemicals

Инь воображает объединение фундаментальных принципов в подходах каждой из групп. «Я надеюсь, что мы могли бы создать гораздо более крупные и более сложные объекты, чем то, что мы демонстрируем здесь, что уже демонстрирует стократное увеличение сложности», — говорит он. «Может быть, еще один десятикратный и сто кратный рост мощности может быть на горизонте».

Дитц отмечает, что для многих лабораторий производство прядей в таких больших количествах может быть чрезмерно дорогим. Чтобы попытаться сократить расходы, его команда завербовала Кишечная палочка бактерии, чтобы сделать сотни скоб ДНК вместе с ферментами на основе ДНК, которые могут высвободить их в одну гигантскую петлю.4 Они могут сделать это, заразив Кишечная палочка с инженерными вирусами бактериофага, которые содержат схему петли. После выращивания бактерий и извлечения петель ДНК, добавление цинка активирует ферменты и высвобождает скобы.

Эти впечатляющие вехи — только начало

Шон Дуглас

Хотя команда сделала это только в двухлитровом лабораторном реакторе, Дитц говорит, что процесс должен масштабироваться до тысяч литров, что должно сделать исследование возможностей наноструктур ДНК практичным в новых применениях, таких как доставка лекарств. Дитц подчеркивает, что существует много неизведанных научных территорий из-за стоимости производства большого количества ДНК. «Вы можете заняться исследованиями на животных, чтобы посмотреть, сможем ли мы использовать нестандартные объекты ДНК для терапевтического использования», — говорит он. «Количество действительно является большим узким местом в этой области».

Элиза Франко из Калифорнийского университета в Риверсайде называет газеты «впечатляющими достижениями в области нанотехнологий ДНК». Тем не менее, она также хотела бы видеть улучшения в скорости сворачивания, потому что, хотя в этих документах не говорится, сколько времени занимает формирование конечных структур, часто это занимает несколько дней.

Дуглас согласен с тем, что предстоит решить еще больше задач, особенно если такие структуры должны быть интегрированы в такие приложения, как нанороботы ДНК, над которыми он работает. «Эти впечатляющие этапы могут создать впечатление, что основные проблемы решены, но они только начинаются», — говорит он. «Я полагаю, что пионеры вычислений чувствовали то же самое, когда у них наконец-то были достаточно хорошо работающие транзисторы, чтобы Гордон Мур подготовил свою знаменитую экстраполяцию»

Исправление: 8 декабря 2017 года были исправлены единицы одной из структур ДНК.







Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *