Использование ДНК для получения наноструктур

Таким образом, независимо от предлагаемых способов пространственного упорядочения соседних молекул нуклеиновых кислот (или их комплексов), для образования наномостиков можно использовать один и тот же прием, основанный на образовании протяженных хелатных комплексов («сшивок») между упорядоченными в структуре ЖК дисплея молекулами нуклеиновых кислот  или молекулами поликатионов.

Приведенные выше результаты показывают, что, пользуясь разными технологиями упорядочения молекул двухцепочечных ДНК в частицах ЖК дисплеев, можно создавать наноконструкции, различающиеся по свойствам. Использованные технологии открывают возможность их модификации с учетом требований, возникающих при решении конкретных задач.

 

 

5 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОКОНСТРУКЦИИ НА ОСНОВЕ ДВУХЦЕПОЧЕЧНЫХ МОЛЕКУЛ ДНК

Комбинация свойств молекул нуклеиновых кислот и молекул антибиотика, участвующего в образовании наномостика, открывает ряд возможностей для практического применения наноконструкций.

1. Наноконструкции, концентрация  ДНК в которых превышает 200 мг/мл, могут быть использованы в качестве «носителей» генетического материала или различных БАС, вводимых в состав этих структур. (Области применения — медицина, биотехнология.)

2. Наноконструкции на основе частиц ЖК дисплеев двухцепочечных ДНК (РНК) — это чувствительные элементы (биодатчики) оптических биосенсоров, позволяющих определять наличие БАС, в частности генотоксикантов, в физиологических жидкостях. (Области применения — медицина, экология, биотехнология).

3. Наноконструкции с управляемыми физико-химическими свойствами, включенные в состав полимерных пленок (гидрогелей), могут быть использованы в технике, в частности, в качестве оптических фильтров. (Области применения — оптика, электроника.)

Таким образом, приведенные выше данные показывают, что двухцепочечные молекулы нуклеиновых кислот — это важный, полифункциональный объект нанобиотехнологии. Направленное и регулируемое изменение свойств этих молекул обеспечивает широкие возможности для создания нанобиоструктур, которые могут найти применение в различных областях науки и техники.

 

 

6 ДНК – ОРИГАМИ

С помощью химического синтеза можно напрямую синтезировать цепи ДНК длиной до 120 нуклеотидов. То есть в 21 веке можно легко и дешево делать ДНК любой последовательности, какой только захотеть. Для этого есть принцип комплементарности — как только в последовательности ДНК появляются комплементарные зоны, они слипаются и образуют двухцепочечный участок. Очевидно, если делать структуры, стабильные при комнатной температуре, значит, нужно рассчитать температуру плавления для данных участков и сделать ее достаточно большой. При этом на одной цепи ДНК возможно сделать много разных областей с разными последовательностями и слипаться будут только комплементарные. Так как комплементарных областей может быть несколько, в результате молекула может свернуться достаточно сложным образом!

Так же, помимо положительного дизайна (создание областей, способных образовывать нужную нам структуру), при разработке структур с самосборкой нельзя забывать и о негативном дизайне — нужно проверять получившуюся последовательность ДНК на потенциальное наличие паразитных взаимодействий (когда части созданных областей оказываются способными взаимодействовать по-другому, образуя ненужные нам паразитные структуры) и от этих паразитных структур и взаимодействий избавляться, меняя нуклеотидную последовательность ДНК. Как получить простейшие структуры ДНК типа «шпильки» достаточно очевидно, но скучно и неинтересно. Можно ли из ДНК сделать что-то посложнее? Здесь уже без компьютерных вычислений не обойтись. Если нужно сделать некую структуру и теперь должны подобрать последовательность ДНК, которая в эту структуру свернется за счет взаимодействия комплементарных областей, но при этом в последовательности не должно быть паразитных взаимодействий, непредусмотренных комплементарных областей, образующих альтернативные структуры. Плюс структура должна отвечать другим критериям, например, иметь температуру плавления выше некоторой заданной величины.

 

6.1. ДВУХМЕРНЫЕ СТРУКТУРЫ ИЗ ДНК

Методологический прорыв устроил Paul Rothemund (Калифорнийский Технологический Институт) в 2006 году, именно он и придумал термин «ДНК-оригами». В своей статье в «Nature» он представил множество забавных двухмерных объектов, сделанных из ДНК. Принцип, предложенный им, достаточно прост: взять длинную (примерно 7000 нуклеотидов )«опорную» одноцепочечную молекулу ДНК и затем с помощью сотни коротких ДНК-скрепок, образующих двухцепочечные области с опорной молекулой, согнуть опорную ДНК в нужную двухмерную структуру. Для начала (а) надо нарисовать нужную нам форму красным цветом и прикинем, как заполнить ее ДНК (представим ее на этом этапе в виде труб). Далее (b) представить, как провести одну длинную опорную молекулу по нужной форме (показана черной линией). На третьем этапе (с) подумать, где разместить «скрепки», стабилизирующие укладку длинной опорной цепи. Четвертый этап (d): больше деталей, как будет выглядеть вся нужнаяструктура ДНК и, наконец, (e) схема нужной нам структуры, можно заказывать ДНК нужной последовательности!

 

 

 

 

Рисунок 6 – этапы получения двухмерных объектов.

 

Как же из химически синтезированных ДНК собрать нужную структуру? Здесь на помощь приходит процесс плавления. Нужно взять пробирку с водным раствором, бросить в нее все фрагменты ДНК и нагревать до 94–98С, температуры, которая гарантировано плавит всю ДНК (переводит ее в одноцепочечную форму). Далее просто очень медленно (в течении многих часов, в некоторых работах — в течении нескольких дней) охлаждать пробирку до комнатной температуры (эта процедура называется «отжиг», annealing). При этом медленном охлаждении, когда температура оказывается достаточно низкой, постепенно образуются нужные нам двухцепочечные структуры. В оригинальной работе в каждом эксперименте примерно 70% молекул успешно собирались в нужную структуру, остальные имели дефекты.

Далее, после того, как структура рассчитана, неплохо бы доказать, что она собирается именно так, как надо. Для этого чаще всего используют атомно-силовую микроскопию, которая как раз прекрасно показывает общую форму молекул, но иногда используют и cryo-EM (электронную микроскопию). Автор сделал множество веселых форм из ДНК.

 

 

Рисунок 7 – примеры ДНК - оригами.

 

 

6.2 ТРЕХМЕРНЫЕ СТРУКТУРЫ ИЗ ДНК

После того, как разобрались с конструированием сложных плоских объектов, почему бы не перейти к третьему измерению? Здесь пионерами была группа ребят из Института Скриппса в Ла-Холле, Калифорния, которые в 2004 году придумали, как из ДНК сделать нано - октаэдр. Хотя эта работа и сделана на 2 года раньше плоского ДНК-оригами, в тот раз был решен лишь частный случай (получение октаэдра из ДНК), а в работе по ДНК-оригами было предложено общее решение, поэтому именно работа 2006 года по ДНК-оригами считается основополагающей.

Октаэдр был сделан из одноцепочечной молекулы ДНК длиной примерно 1700 нуклеотидов, имеющей комплементарные области и к тому же скрепленной пятью 40-нуклеотидными ДНК-адаптерами, в результате был получен октаэдр с диаметром 22 нанометра.

 

Рисунок 8 – полученный октаэдр из ДНК.

 

В 2009 году ученые из Бостона и Гарвардского Университета опубликовали принципы построения трехмерного ДНК-оригами , как они сами говорят, по подобию пчелиных сот. Одно из достижений этой работы — люди написали open-source программу caDNAno для конструирования трехмерных структур ДНК (она работает на Autodesk Maya). С этой программой даже неспециалист может собрать нужную структуру из готовых блоков с использованием простенького графического интерфейса, а программа рассчитает необходимую последовательность ДНК [26].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе дано представление об основных направлениях нанотехнологии. Также внимание уделено созданию наноструктур на основе биологических молекул, в частности нуклеиновых кислот. Исходя из физико–химических свойств молекул двухцепочечных нуклеиновых кислот, рассмотрены две стратегии создания наноконструкции на их основе. В основе первой из них лежит представление об энтропийном упорядочении соседних молекул нуклеиновых кислот; в основе второй – представление об энтальпийном упорядочении молекул нуклеиновых кислот, отрицательные заряды фосфатных групп которых нейтрализованы противоионами. Приведены примеры создания наноконструкции на основе нуклеиновых кислот и отмечены их уникальные свойства, определяющие широкие возможности практического применения этих  наноконструкций.

Также в работе представлен факт о том, как из ДНК, несущей нашу генетическую информацию, можно создавать всякие хитрые, плоские и трехмерные штуки нанометрового размера. Та самая нанотехнология, как она есть. В этом обзоре описано развитие ДНК – оригами: двухмерные смайлики  из ДНК, трехмерные фигуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Евдокимов Ю.М., Захаров М.А., Скуридин С.Г. Нанотехнология на основе нуклеиновых кислот// Вестник РАН. 2006. T.76. №2 С. 112 - 120.

2. Report of the OECD workshop on the safety of manufactured nanomaterials.Washington DC., Dec. 7—9. 2005. P. 149.

3. Пространственно упорядоченные формы ДНК и ее комплексов – основа для создания наноконструкций для медицины и биотехнологий / Евдокимов Ю.М.// Российские нанотехнологии 2006. Том 1. №1 – 2. С. 256 – 264.

4. Niemeyer C.M. // Appl. Phys. A. 1999. V. 68. P. 119.

5. Lowe C.R. // Current Opinion in Structural Biology. 2000. V. 10. P. 428.

6. Csaki A., Maubach G., Born D et al // Single Mol. 2002. V. 5 — 6. P. 275.

7. Katz E., Willner I. // Angew. Chemie. Internatl. Ed. 2004. V. 43. P. 6042.

8. Fortina P., Kricka L.K., Surrey S., et al. // Trends in Biotechnology. 2005. V. 23. P. 168.

9. Seeman N.C. // J. Theor. Biol. 1982. V. 99. P. 237.

10. . Yevdokimov Yu.M., Salyanov V.I., Gedig E., et al. //FEBS Lett. 1996. V. 392. P. 269.

11. Yevdokimov Yu.M., Skuridin S.G., Lortkipanidze G.B. // Liquid Cryst. 1992. V. 12. P. 1.

12. Yevdokimov Yu.M., Salyanov V.I., Zakharov M.A. // Lab on a Chip. 2001.           V. 1. P 35.

13. Захаров М.. Соколовская Л.Г., Нечипуренко Ю.Д. и др. Формирование наноконструкций на основе  двухцепочечных ДНК// Биофизика. 2005. Т. 50. №5 С. 824 – 832.

14. Malatesta V., Gervasini A., Morazzoni F. // Inorg. Chim. Acta. 1987. V. 136. P. 81.

15. Spielli M., Dabrowiak J.C. // Boichemistry. 1982. V. 23. P. 5862

16. Yevdokimov Yu.M., Skuridin S.G., Nechipurenko Yu. D., et al. // Internatl. J. Biol. Macromol. 2005. V. 36. P.103.

17. Захаров М.А., Нечипуренко Ю.Д., Лорткипанидзе Г.В., Евдокимов Ю.М.   Термодинамическая стабильность наноконструкций, созданных на основе двухцепочечных ДНК// Биофизика. 2005. Т. 50. №6. С. 1036 - 1041.

18. Евдокимов Ю.М., Скуридин С.Г., Акименко Н.М. // Высокомолекулярные Соединения. 1984. Т. 26. C. 2403.

19. Евдокимов Ю.М. Жидкокристаллические формы ДНК и их биологическая роль// Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2003. № 3. С. 10 – 48.

20. Yevdokimov Yu. M., Salyanov V.I. // Liq. Cryst. 2003. V. 30. P. 1057.

21. Domard A. // Internatl. J. Biol. Macromol. 1987. V. 9. P. 98.

22. Monteiro O.A.C. Arnoldi C. // J. Coll. Interface Sci. 1999. V. 212. P. 212.

23.Евдокимов Ю.М., Захаров М.А., Салянов В.И. Жидкокристаллические дисперсии двухцепочечных нуклеиновых кислот и их комплексов - основ– для наноконструирования// Кристаллография. 2006Т.51. №6. С. 1082 – 1097.

24. Inoue K., Baba Y., Yoshizuka K. // Bull. Chem. Soc. Japan. 1993. V. 66. P. 2915.

25. Rhazi M., Derbrieres J., Talaimate E., et al. // Polymer. 2002. V. 43. P. 1267.

26. http://www.nanonewsnet.ru/articles/2013/dnk-origami-kak-iz-dnk-delayut-interesnye-shtuki-nanometrovogo-razmera. / ДНК – оригами.