Наноструктуры из ДНК можно собирать по принципу конструктора «Лего»

<p><b>Рис. 1.</b> Обложка последнего номера журнала <i>Science</i> с многочисленными трехмерными наноструктурами, которые можно получить с помощью новой методики.</p>

Рис. 1. Обложка последнего номера журнала Science с многочисленными трехмерными наноструктурами, которые можно получить с помощью новой методики

Всего несколько дней назад на «Элементах» появилась новость Елены Наймарк о том, что с помощью методики ДНК-оригами удалось получить действующий ионный канал (Немецкие биотехнологи создали из ДНК искусственные ионные каналы, «Элементы», 20.11.2012). Новость заканчивалась фразой о том, что наука в этой области движется бешеными темпами, и даже работы двух-трехлетней давности считаются здесь «прошлым». И вот, дорогие читатели, перед вами яркая иллюстрация этой фразы: в последнем номере Science предложена новая методика получения сложных трехмерных структур из ДНК. Сборка ДНК-наноструктур с помощью этой методики похожа на строительство моделей с помощью конструктора LEGO.

Нетривиальная идея о том, что из ДНК можно создавать сложные наноструктуры, была высказана еще в начале 1980‑х годов американским ученым Надрианом Симаном (Nadrian C. Seeman). До начала 2000-х годов идея считалась совершенно утопической. В 2006 году произошел первый крупный прорыв в этой области: молодой специалист по компьютерным наукам Пол Ротмунд (Paul W.K. Rothemund) предложил оригинальную методику под названием «ДНК-оригами» (Paul W. K. Rothemund, 2006. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns), которая позволяла укладывать длинную одноцепочечную молекулу ДНК произвольным образом, соединяя ее в нужных участках «скрепками» — короткими ДНК-последовательностями, комплементарными этим нужным участкам (подробнее о методике рассказано в вышеупомянутой новости Елены Наймарк). С помощью ДНК-оригами было сложено множество разнообразных двухмерных и трехмерных фигур, в том числе смайлик размером 100 нм (рис. 2).

Однако, как ни была остроумна и перспективна эта методика, у нее был ряд серьезных недостатков. Во-первых, каждую новую структуру приходилось с нуля просчитывать заново: продумывать взаимное положение изгибов, подбирать нужные ДНК-последовательности, следить, чтобы скрепки были комплементарны только нужным участкам и не прилипали к чему-нибудь ненужному, и так далее. Еще одно затруднение возникало с основной нитью ДНК: если коротенькие скрепки можно было без проблем синтезировать искусственно, то синтез с нуля мало-мальски длинной нуклеотидной последовательности — дело трудное, долгое и неблагодарное: чем длинней нить, тем больше вероятность, что она будет синтезирована с ошибкой. Поэтому обычно в качестве основной нити в ДНК-оригами используется уже готовая ДНК — например, принадлежащая какому-нибудь вирусу; а это, опять же, накладывает на методику определенные ограничения. К тому же, оригами-структуры долго собираются (видимо, из-за того, что нужно укладывать длинную — а значит, легко запутывающуюся — нить ДНК), и выход их невелик.

Вот какие плоские структуры получил Пол Ротмунд с помощью методики ДНК-оригами

Рис. 2. Вот какие плоские структуры получил Пол Ротмунд с помощью методики ДНК-оригами. Изображение из статьи Paul W. K. Rothemund, 2006. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns

Поэтому необходимо было развивать и другие пути получения сложных конструкций из ДНК. Например, чрезвычайно соблазнительно выглядела идея создания модульных ДНК-структур, то есть таких, которые состоят из маленьких «кирпичиков» — олигонуклеотидных кусочков, налипающих друг на друга благодаря своей комплементарности и таким образом собирающихся в сложные структуры. Такие маленькие кусочки легко синтезировать, их сборка должна отнимать меньше времени, чем оригами, а складывать из них можно самые разные фигуры.

На первый взгляд идея кажется очень простой, однако в ней есть гигантский подводный камень: ДНК — это, как-никак, двойная спираль, и если модульный «кирпичик» будет недостаточно продуман, то спирали, образованные разными модулями, станут налезать друг на друга, не позволяя итоговой структуре правильно собраться.

Первая, еще несовершенная, работа, показывающая потенциал модульных ДНК-структур, была опубликована в 2003 году (Hao Yan et al, 2003. DNA-Templated Self-Assembly of Protein Arrays and Highly Conductive Nanowires). Модули представляли собой что-то вроде крестообразных черепиц, которые можно было укладывать в плоские решетки или ленты (рис. 3). Авторы постарались придать своим черепичкам как можно более стабильную пространственную конфигурацию, что, по нынешним временам, оказалось стратегической ошибкой: во-первых, черепички надо было долго и кропотливо синтезировать, а во-вторых, они из-за своей «неповоротливости» могли образовывать только плоские и однообразные структуры.

Крестообразная ДНК-черепица и структуры, которые можно из нее получить

Рис. 3. Крестообразная ДНК-черепица состоит из нескольких сложно переплетенных нитей ДНК и может дать начало плоским структурам. Фотографии этих структур справа внизу получены с помощью сканирующего атомного силового микроскопа на разных разрешениях и в разных режимах. Изображение из статьи Hao Yan et al, 2003. DNA-Templated Self-Assembly of Protein Arrays and Highly Conductive Nanowires

Пять лет спустя, в 2008 году, был предложен еще один вариант ДНК‑модуля (Peng Yin et al, 2008. Programming DNA Tube Circumferences). Это тоже было что-то вроде черепицы, но гораздо более интересной. Она была проще по строению и представляла собой, по сути, просто короткую (всего лишь 42‑нуклеотидную) и потому легкосинтезируемую нить ДНК. Эта нить подразделялась на четыре домена, на каждый из которых мог налипнуть домен соседней нити. В результате черепица особым образом изгибалась и самособиралась в плоские структуры, которые могли замыкаться в трубки (рис. 4).

Рис. 4. Изогнутая ДНК-черепица (A) и получаемые из нее плоские структуры (B), которые при наличии «липких» комплементарных концов (a и a*, b и b*) сворачиваются (C) и образуют трубки (D). Изображение из статьи Peng Yin et al, 2008. Programming DNA Tube Circumferences, с изменениями

Но и трехмерные трубки — это тоже было слишком мало: ученых снедала мечта о полноценных, произвольных трехмерных структурах, которые можно было бы легко собрать из простых модулей.

И вот Пэн Инь, первый автор из предыдущей работы, став руководителем собственной группы, выпустил новую статью, в которой предложил еще один вид ДНК-модуля, напоминающий кирпичик из детской игры LEGO (рис. 5). Этот «кирпичик» очень похож на «черепичку» из предыдущей работы: это тоже нить, имеющая четыре «липких» домена для присоединения комплементарных участков других нитей, но еще более короткая (всего 32 нуклеотида) и немного иначе изогнутая. В отличие от черепиц, кирпичи при склеивании поворачиваются друг относительно друга на 90°. Этот поворот дает целых две больших выгоды: во-первых, благодаря нему структура становится объемной, а во-вторых, поскольку 90° — это четверть полного, 360-градусного поворота, то каждый пятый кирпич в ряду будет принимать то же положение, что и первый, и двойные спирали, образуемые разными модулями, не будут друг на друга наезжать, а четко и аккуратно выстроятся в пространстве.

ДНК-кирпичик и получаемые из него объемные структуры

Рис. 5. ДНК-кирпичик и получаемые из него объемные структуры. Каждый 32‑нуклеотидный кирпичик имеет четыре «липких домена», которые образуют участки двойной спирали с комплементарными доменами других кирпичиков. Кирпичик состоит из двух 16‑нуклеотидных антипараллельных спиралей, соединенных между собой одиночной фосфатной связью, в результате чего приобретает форму, отдаленно напоминающую форму двойного кирпичика лего, где два «хвостовых» домена аналогичны лего-штепселю, а два «головных» — лего-розетке. Соединяясь между собой, кирпичики поворачиваются друг относительно друга на 90°, что позволяет им образовывать трехмерные структуры. При этом, каждый домен каждого кирпичика может соединиться только с одним, комплементарным себе, доменом другого кирпичика. Изображение из обсуждаемой статьи в Science, с изменениями

Теперь из кирпичиков можно было собирать модели (перед глазами встают домики и машинки, которые многие из нас помнят из детства). И тут авторы поступили очень остроумно. Вместо того, чтобы каждый раз заново просчитывать новую модель, они придумали следующее.

Вначале мы собираем из кирпичиков большой куб (точнее, как можно более приближенный к кубу параллелепипед). Сборка такого параллелепипеда из ДНК немного сложней, чем игра в детские конструкторы, и предполагает соблюдение нескольких условий.

Условие первое. Последовательность каждого из кирпичиков должна быть уникальна — то есть два кирпича могут быть либо полностью идентичны, либо полностью различны, наличие одинаковых доменов на разных кирпичах недопустимо — иначе может возникнуть ситуация, когда два одинаковых домена с разных кирпичиков конкурируют за то, чтобы налипнуть на комплементарный себе домен. Если первое условие соблюдено, то, встретившись вместе, кирпичики могут собраться одним и только одним способом, причем каждый кирпичик займет свое, уникальное место внутри параллелепипеда.

Условие второе. Последовательность нуклеотидов в каждом кирпичике должна быть такой, чтобы его домены слеплялись с доменами только соседних кирпичей и не возникало ситуации, когда один домен на кирпичике хочет слепиться с комплементарным себе доменом на одном конце куба, а второй домен того же кирпича тянется к комплементарному себе домену на другом конце. Если соблюдено второе условие, то при соединении кирпичиков получится именно параллелепипед, а не какая-то абракадабра.

Кроме того, существует еще несколько не столь важных условий. Например, некоторые крайние двойные (стандартные) кирпичики нужно распилить на одинарные, чтобы они не выступали за края параллелепипеда. Также не вредно дать особенную «неуживчивую», несклонную к слипанию последовательность нуклеотидов тем кирпичам, которые находятся на незакрытых гранях куба — таким образом можно будет избежать слипания двух параллелепипедов между собой.

И вот, допустим, мы наконец собрали этот параллелепипед. Теперь нам проще некуда создать почти любую трехмерную форму на его основе. Для этого достаточно выкинуть из него ненужные кирпичи (рис. 6). Хотим мы сделать структуру с полостью в середине — убираем кирпичики внутренних слоев. Хотим сделать пирамиду — убираем ряды кирпичиков с верхних ребер. И так далее.

Схема получения различных форм при наличии готового параллелепипеда

Рис. 6. Если у нас есть набор кирпичиков, из которого можно собрать параллелепипед, то потом из этого набора можно получить и другие фигуры, выбирая только нужные кирпичики. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

В результате если мы один раз просчитаем набор кирпичиков для параллелепипеда достаточно большого объема, то руки у нас развязаны: мы сможем собрать из этого набора почти любую объемную структуру, которая помещается внутри параллелепипеда. Однако надо помнить, что минимальная объемная точка (воксел) в этой структуре не может быть меньше, чем объем витка двойной спирали, образованной комплементарными доменами двух кирпичиков, который составляет 2,5 × 2,5 × 2,7 нм. Это накладывает определенные ограничения на построение объемных моделей, но пока, на данном этапе развития нанотехнологий, эти ограничения не кажутся особенно вопиющими.

Структуры, которые удалось получить с помощью лего-методики

Рис. 7. Структуры, которые удалось получить с помощью лего-методики (эти же фигуры показаны в цвете на рис. 1). В верхней строке каждого горизонтального ряда — 3D‑модели этих структур. В следующей строке — их плоская проекция, просчитанная компьютером, еще ниже — усредненное изображение шести структур данной конфигурации в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ). Самая нижняя строка — репрезентативное изображение одной структуры в ПЭМ. Обратите внимание, насколько точно в большинстве случаев компьютерные проекции совпадают с реальными изображениями структур. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Исследователи наигрались вволю, построив из своих кубиков более ста различных объемных структур (рис. 1 и 7), в том числе модель космического шаттла (рис. 8) и пронзенное сердце. Почти все модели сложились правильно, показав не худший (а то и лучший) выход, чем при методике ДНК-оригами, однако у семи моделей возникли различные проблемы со сборкой, уровнем выхода или стабильностью конструкции. Впрочем, тот, кто играл в детстве в «Лего», наверное, помнит, что очень сложные формы с далеко выступающими частями из этого конструктора получаются плохо.

Модель космического шаттла

Рис. 8. Созданная исследователями модель космического шаттла в спиральном и лего-виде (на предыдущем рисунке эта модель находится под номером 27). Изображение из синопсиса к обсуждаемой статье в Science

Итак, подытожим. Перед нами остроумная, простая, гибкая и неприхотливая методика, которая не требует ни экзотических условий, ни дорогих реактивов и оборудования. По сути дела, всё, что нам нужно сделать, — это просто добавить нужные кирпичики в специально подготовленный раствор и отжечь их (см. отжиг), чтобы комплементарные домены соединились между собой. Хотя некоторые пространственные ограничения накладывает строгий размер воксела, но и эту проблему можно обойти, если использовать кирпичики с измененными свойствами (исследователи немного продвинулись в этом направлении, создав, например, трехмерную модель, напоминающую медовые соты, из кирпичиков другой конфигурации, которые соединялись с поворотом в 120°). Еще одно ограничение — нестабильность особенно сложных структур — можно обойти, скомпилировав лего-методику с методикой ДНК-оригами: в тех участках, где кирпичи разваливаются, не в силах поддержать сложную форму, можно использовать длинную оригамную нить, а прочие части структуры оставить «кирпичными».

Впечатляет и возможный размер лего-моделей. В идеале (если использовать все возможные кирпичи) он может составить до 524 288 нуклеотидов, и даже этот размер можно превысить, если собирать структуру в несколько этапов. Хотя пока что особенно крупные лего-структуры получаются нестабильными, авторы предложили несколько методов решения этой проблемы, которые, возможно, позволят довести возможный размер моделей до астрономических (в наномасштабе, конечно) величин.

Возможности применения для таких ДНК-структур огромны, начиная от использования в наноэлектрических приборах и заканчивая доставкой лекарств (см. Drug delivery). Одним словом, совершенно ясно, что лего-ДНК-модели вот-вот получат практическое применение и принесут человечеству немалую пользу. А еще лично мне кажется очень важным, что из этой работы понятно, насколько важны дерзкие детские мысли во взрослых головах.

Источники:
1) Yonggang Ke, Luvena L. Ong, William M. Shih, Peng Yin. Three-Dimensional Structures Self-Assembled from DNA Bricks // Science. 2012. V. 338. P. 1177–1183.
2) Kurt V. Gothelf. LEGO-like DNA Structures // Science. 2012. V. 338. P. 1159–1160 — синопсис к предыдущей статье.
3) Paul W. K. Rothemund. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns // Nature. 2006. V. 440. P. 297–302.
4) Hao Yan et al. DNA-Templated Self-Assembly of Protein Arrays and Highly Conductive Nanowires // Science. 2003. V. 301. P. 1882–1884.
5) Peng Yin et al. Programming DNA Tube Circumferences // Science. 2008. V. 321. P. 824–826.

Вера Башмакова


15
Показать комментарии (15)
Свернуть комментарии (15)

  • Vikky  | 05.12.2012 | 02:39 Ответить
    А почему собирают из двухцепочечной ДНК, каждая секция которой достаточно сложна, а не из любого другого биополимера - РНК, белка, тем более что мощность обратных полимераз как я понимаю намного меньше чем у рибосом. Или вообще не из произвольного полимера?
    Ответить
    • polymerphysicist > Vikky | 05.12.2012 | 05:06 Ответить
      > А почему собирают из двухцепочечной ДНК, каждая секция которой достаточно сложна, а не из любого другого биополимера - РНК

      Вроде, ДНК значительно более устойчивы, нежели РНК. А белки произвольной последовательности аминокислот, по-моему, пока синтезируют хуже, чем ДНК произвольной последовательности нуклеотидов. Да и ведут себя белки сложнее и непредсказуемее.

      > Или вообще не из произвольного полимера?

      Не умеют это делать из произвольного полимера. Если не считать биохимических методов синтеза белков и нуклеиновых кислот, гетерополимеры произвольной первичной структуры вообще синтезировать умеют очень плохо, даже когда речь идёт всего лишь о гетерополимере из двух сортов мономерных звеньев, от которых требуется лишь определённое статистическое распределение на масштабе какого-то окна длиной в десятки мономерных звеньев, а фиксированную последовательность длинной цепи создать с разумными трудозатратами не умеют.

      Я, правда, не химик, так что могу и ошибаться, но в целом эта область мне близка, а я ничего о таком синтезе никогда не слышал.
      Ответить
    • niki > Vikky | 05.12.2012 | 12:38 Ответить
      Из белка гораздо сложнее. А РНК и менее устойчива, и конформаций куча. ДНК это как раз самый простой вариант.

      Кстати в этой статье рассказывается далеко не о самых интересных конструкциях.
      Ответить
    • VerBa > Vikky | 05.12.2012 | 21:18 Ответить
      Выше все уже сказали, добавлю только, что из РНК тоже чего-то строят, просто это менее популярная методика (ну, по крайней мере, пока). См. про наноРНК http://www.sciencemag.org/content/333/6041/470.full
      Ответить
    • Epoxyde > Vikky | 06.12.2012 | 08:44 Ответить
      А, судя по всему, это связано с тем, что у белков гораздо сложнее предсказывать конформации. Там ведь 20 элементарных блоков и свернуться молекула может кучей способов (фолдинг белков рассчитывать - это адЪ), а ДНК - всего 4 элементарных блока, так что ее поведение предвидеть проще.
      Что-то такое вот читал.
      Ответить
  • Snidalov  | 05.12.2012 | 03:10 Ответить
    Можно немного подробнее про практическую пользу данной методики?
    Как можно практически использовать возможность построения 3-D моделей из ДНК?
    Ответить
    • Sorrybeinglate > Snidalov | 05.12.2012 | 13:31 Ответить
      Присоединяюсь к вопросу! Спектр обозначен, но может кто приведет побольше конкретных примеров?
      Ответить
      • Anatoli73 > Sorrybeinglate | 05.12.2012 | 14:59 Ответить
        ...
        Ответить
        • niki > Anatoli73 | 05.12.2012 | 17:05 Ответить
          Вот уже близкий к применению пример http://www.membrana.ru/particle/1957
          Ответить
    • VerBa > Snidalov | 05.12.2012 | 21:16 Ответить
      О, ну тут можно целую диссертацию написать. Например, ДНК наноструктуры могут быть чем-то вроде строительных лесов (ну, или разметочной сетки). На этой сетке удобно организовывать, например, всякие системы химического синтеза (потому что молекулы цепляются за нужные выступы нано-ДНК-структур и правильно выстраиваются в пространстве). Еще на их основе можно растить нанопроволоки, всякие другие наноструктуры и тому подобное. Вообще, если можешь создать точную трехмерную структуру произвольной формы, то управлять множеством нанособытий становится горааааздо проще. Это получается как заводские станки для крохотных деталей.
      Еще можно запускать наноДНК нужной структуры в клетку, чтобы изучать всякие клеточные процессы. Можно и на работу отдельных белков с помощью наноДНК смотреть. Например, буквально месяц назад опубликовали такую работу. Привесили наноДНК (оригамную, кирпичной тогда еще не было) на транспортные белки вместо груза и исследовали не известные прежде свойства этих белков (см. http://www.sciencemag.org/content/338/6107/662.abstract).
      В общем, тут можно долго перечислять. Думаю, способов использования наноДНК структур не меньше, чем способов использования молотка:)
      Ответить
      • Snidalov > VerBa | 06.12.2012 | 01:35 Ответить
        Спасибо!
        Ответить
    • Epoxyde > Snidalov | 06.12.2012 | 08:46 Ответить
      А целевая доставка лекарств прямиком в клетку, минуя иммунную систему. Она же на ДНК не сработает.
      Ответить
  • samara  | 06.12.2012 | 17:40 Ответить
    Очень хорошая статья.
    Спасибо.
    Ответить
  • Aab  | 06.12.2012 | 22:23 Ответить
    Круто!

    Но... Позволю себе перефразировать один широко известный анегдот.

    Похитила Снежная Королева Крейга Вентера, а чтоб не скучал, выдала ему кубики. Приходит, видит: Крейг что-то старательно складывает. Королева спраживает его:
    -- Что за слово ты складываешь?
    -- ETERNATY
    -- А какие буквы у тебя есть?
    -- A, G, C, T
    Ответить
  • Levsokov  | 24.01.2013 | 15:10 Ответить
    Эта идея имеет автора: Соков Лев Андреевмч, и изложена в ряде его публикаций, например: "Происходение жизни. Мультиматрица /from startdust to men: монография. Изд.2-е/Л.А. Соков. Челябинск: Изд-во "Челябинская медицинская академия", 2012 - 411 с." Ссылка на первоисточник обязательна. См. Введение страницы 9-10. Это один из многочисленных матричных механизмов, которым и посвящена книга. Это авторская методика! Сайт http://levsokov.narod.ru/monografiya-2/ (Введение)просьба ссылаться на первоисточник или удалить материал.
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»