Лотосы из ДНК-оригами

Цветы лотоса на этой микрофотографии сделаны из молекул ДНК и смоделированы при помощи программы PERDIX (Programmed Eulerian Routing for DNA Designs using X-overs^*) — новейшей совместной разработки Массачусетского технологического института (MIT) и Аризонского университета. Эта программа позволяет автоматизировать дизайн двумерных структур из ДНК произвольной формы. С ее помощью можно превратить практически любой графический рисунок в модель для ДНК-конструктора.

ДНК — основной носитель генетической информации в клетках — может использоваться в качестве строительного материала для разнообразных наноподелок. Благодаря универсальности и принципу комплементарности ее длинные молекулы удобно складывать, а благодаря стабильности ДНК поделки не разваливаются. Методика создания таких крошечных объектов была предложена в 2006 году и получила название «ДНК-оригами» (DNA origami).

ДНК-оригами используется в разных исследованиях, например при создании нано-контейнеров или даже роботов для доставки лекарств. Впрочем, для рекламы свои разработок исследователи используют разные забавные примеры. Так, из ДНК уже собирали портреты Джоконды размером в полмикрона, делали плюшевых мишек и даже играли ей в крестики-нолики. Новый софт позволяет любому присоединиться к этому развлечению.

Раньше создание плоской фигурки из ДНК-оригами с внутренним скелетом требовало ручного моделирования. В 2016 году вышла статья c описанием автоматизации этого процесса для скелетов многогранных трехмерных фигурок (программа DAEDALUS), но предложенный метод не подходил для плоских объектов. Поэтому американские ученые выпустили дополнение для 2D-случаев — PERDIX, а заодно написали альтернативный софт для сворачивания 3D-фигурок.

Картинку, на основе которой будет сделана ДНК-оригами, можно нарисовать на компьютере, а потом перевести при необходимости в требуемый формат (самое сложное!) и отдать программе в обработку. На выходе она дает последовательности одноцепочечной ДНК (одну длинную и много коротких), синтез которых можно заказать в лаборатории. При нагревании в буферном растворе они самопроизвольно сложатся в заданную форму и могут сохранять ее в течение месяцев. Можно попросить приложить к результатам атомарную модель получившейся структуры в формате PDB и посмотреть на нее на компьютере. Длинные молекулы синтезировать de novo (то есть не на основе другой ДНК или РНК-матрицы) сложнее коротких, но разработки из недавних статей должны облегчить в ближайшем будущем эту задачу.

Как показано на видео, каждая линия рисунка состоит из двух двуспиральных участков ДНК. Алгоритм допускает и расположение по шесть двойных спиралей в одном ребре; создавать с их помощью объемные фигуры можно в адаптированной под 3D-моделирование программе TALOS тех же авторов. В целом концепции работы обеих программ аналогичны.

Моделирование ДНК-оригами с помощью программы PERDIX на примере цветка лотоса. А — при желании в программу можно загрузить заполненную внутри картинку, а можно только внешний контур — оптимальный внутренний скелет она дорисует сама. B — после загрузки рисунка программа определяет состав и количество необходимой ДНК. Сперва создается остов (голубой) — одноцепочечная ДНК, охватывающая всю фигуру. На каждую линию рисунка приходится по два участка молекул, но они не слипаются в спираль, а просто расположены рядом. Чтобы они не расползались в разные стороны, их скрепляют между собой ДНК-«скрепками» (оранжевый) — одноцепочечными молекулами длиной в 20–60 нуклеотидов, разные концы которых комплементарны соседним ДНК остова. На круговой карте видно, что концы ДНК-«скрепок» (разноцветные внутренние линии) соединяют между собой совершенно разные участки кольцевой молекулы остова, находящиеся после сборки вблизи. Визуализация результата программой caDNAno, предназначенной для ручного конструирования оригами, показана под круговой картой. C — синтезированные ДНК-последовательности помещаются в пробирку вместе с буфером и недолго нагреваются, это запускает процесс самосборки оригами: ДНК-«скрепки» связываются с разными участками остова по принципу комплементарности, скрепляя их. После обратного снижения температуры двуцепочечная ДНК не будет больше расплетаться, так что все кусочки окажутся прочно «скручены» друг с другом. Рисунок из статьи H. Jun et al., 2019. Autonomously designed free-form 2D DNA origami

Детальное изображение узла. Хорошо видно, как при помощи одной «скрепки» (желтая цепочка) сшивается соединение остова (синий). Рисунок из статьи H. Jun et al., 2019. Autonomously designed free-form 2D DNA origami

Благодаря автоматизация дизайна эта технология станет доступнее для исследовательских групп, а также сможет применяться в самых разных сферах. С помощью такого софта ученые делают из ДНК-оригами и закрепленных на ней светочувствительных красителей материалы, имитирующие светособирающие комплексы фотосинтезирующих организмов. Полученные структуры могут эффективно улавливать свет и использоваться, как и оригинальные светособирающие комплексы, для получения энергии.

Фото из дополнительных материалов к статье H. Jun et al., 2019. Autonomously designed free-form 2D DNA origami. Фотография сделана при помощи атомно-силового микроскопа.

Вера Мухина

^* В названии новой программы для 3D-моделирования обыгрывается ее отношение к ее предшественнику — программе DAEDALUS. В древнегреческой мифологии Perdix (он же Талос) — племянник и ученик Дедала (лат. Daedalus). Легенда гласит, что в какой-то момент ученик превзошел своего учителя в мастерстве, и тот захотел его уничтожить, скинув с башни. Боги этому помешали, превратив юношу в куропатку (лат. Perdix). Чтобы получить такую звонкую аббревиатуру, исследователям пришлось поступиться красивой расшифровкой. Дословно название можно перевести как «Запрограммированная эйлерова маршрутизация для ДНК-дизайна с использованием X-образных узлов»).