Caltech Team управляет «краской» самой маленькой Моны Лизы с использованием ДНК

Paul Rothemund (BS '94) Caltech, в настоящее время являющийся профессором биоинженерии, вычислительной и математической науки, а также вычислительными и нейронными системами, разработал метод сложения длинной нити ДНК в заданную форму еще в 2006 году Этот метод, обозначенный оригами ДНК, позволил исследователям разработать самоорганизующиеся структуры ДНК, которые могли бы иметь любую определенную структуру, такую ​​как смайлик на 100-сантиметровом уровне.

Процесс фрактальной сборки с использованием деревянных кусочков головоломки. (Кредит: Кальтех)

ДНК оригами трансформировал область нанотехнологий, прокладывая путь к возможностям создания мельчайших молекулярных устройств или «умных» программируемых материалов. Тем не менее, некоторые из этих приложений требуют гораздо больших структур оригами.

. Теперь исследователи из лаборатории Лулу Цяня, доцента биоинженерии в Caltech, разработали экономичную методику, с помощью которой ДНК оригами самоорганизуется в большие массивы с полностью настраиваемыми шаблонами, образуя своего рода холст, который может демонстрировать любое изображение , Чтобы показать это, команда создала самый маленький в мире релакс ДНК ДНК Леонардо да Винчи (Mona Lisa).

Исследование описано в статье, опубликованной в номере журнала Nature Nature от 7 декабря.

Хотя ДНК в основном хорошо известна для кодирования генетической информации живых существ, молекула также является исключительным химическим строительным блоком. Одноцепочечная молекула ДНК состоит из меньших молекул, известных как нуклеотиды – сокращенные A, T, C и G-организованные в цепочке или последовательности. Нуклеотиды в одноцепочечной молекуле ДНК могут связываться с молекулами другой одиночной цепи для создания двухцепочечной ДНК, но нуклеотиды связываются только весьма определенными способами: C-нуклеотид с G или A-нуклеотидом с T. Эти строгие базовые «правила» дают возможность проектировать ДНК оригами.

Чтобы создать единый квадрат ДНК оригами, требуется только длинная одиночная нить ДНК и многочисленные более короткие одиночные нити, известные как скобы, предназначенные для привязки к нескольким выделенным местам на длинной нити. Когда короткие скрепки и длинная нить объединены в пробирке, скобы захватывают области длинной нити вместе, заставляя ее складываться в себя в ожидаемую форму. Большой многомерный холст ДНК образован из множества мелких квадратов оригами, таких как сбор головоломки. Молекулы могут быть выборочно прикреплены к скобкам, чтобы создать повышенный рисунок, который можно просмотреть с помощью атомно-силовой микроскопии.

Команда Caltech создала программное обеспечение, которое может использовать изображение, такое как Mona Lisa, разделить его на небольшие квадратные секции и установить последовательности ДНК, необходимые для составления этих квадратов. Затем их испытание состояло в том, чтобы сделать эти секции самоорганизующимися в надстройку, которая воссоздает Мону Лизу.

Мы могли бы сделать каждую плитку уникальными скобками края, чтобы они могли привязываться только к некоторым другим плиткам и собираться в уникальное положение в надстройке но тогда мы должны были бы сотни уникальных краев, которые было бы не только очень сложно спроектировать, но и чрезвычайно дорогостоящим для синтеза. Мы хотели использовать только небольшое количество различных скрепок, но все же получаем все плитки в нужном месте.

Григорий Тихомиров, старший научный сотрудник и ведущий автор статьи

Стратегической целью этого было собрать плитки поэтапно, например, собрать небольшие области головоломки, а затем собрать их, чтобы сделать большие области, прежде чем, наконец, объединить большие области, чтобы сделать законченную головоломку. Каждая крошечная головоломка использует те же четыре края, но поскольку эти головоломки собраны независимо, нет никакого риска, например, угловой плитки, прикрепленной в неправильном углу. Команда назвала технику «фрактальной сборкой», потому что тот же набор правил сборки применяется в разных масштабах.

После того, как мы синтезировали каждую отдельную плитку, мы помещаем каждый в свою собственную пробирку в общей сложности на 64 трубки, точно знаем, какие плитки находятся в трубах, поэтому мы знаем как объединить их для сборки конечного продукта. Во-первых, мы объединяем содержимое четырех отдельных трубок, пока не получим 16 квадратов два-два. Затем они объединяются определенным образом, чтобы получить четыре трубки каждый с квадратом четыре на четыре. И затем последние четыре трубки объединяются, чтобы создать один большой квадрат размером восемь-восемь, состоящий из 64 плиток. Мы проектируем края каждой плитки, чтобы точно знать, как они будут сочетаться.

Филипп Петерсен, аспирант, соавтор статьи на бумаге.

Окончательная структура команды Цяня была в 64 раза больше, чем инновационная структура оригами ДНК, созданная Ротемундом в 2006 году. Необычайно, из-за рециркуляции тех же самых краевых взаимодействий, количество различных нитей ДНК, необходимых для сборки этой надстройки ДНК был примерно таким же, как для оригинального оригами Ротхунда. По словам Цяня, это должно сделать новую технику аналогичным образом экономичной.

Иерархический характер нашего подхода позволяет использовать только малый и постоянный набор уникальных строительных блоков, в этом случае ДНК прячет уникальные последовательности, строить структуры с увеличением размеров и, в принципе, неограниченное количество разных картины его экономичный подход к построению большего с меньшим похож на то, как строятся наши тела. Все наши клетки имеют один и тот же геном и строятся с использованием одного и того же набора строительных блоков, таких как аминокислоты, углеводы и липиды. Однако с помощью различной экспрессии генов каждая клетка использует одни и те же строительные блоки для создания различных механизмов, например мышечных клеток и клеток сетчатки.

Григорий Тихомиров, старший докторант и ведущий автор статьи

Команда также разработала программное обеспечение, позволяющее ученым повсюду производить ДНК-наноструктуры с использованием фрактальной сборки

«Чтобы наша техника была легко доступна другим исследователям, которые заинтересованы в изучении применений с использованием наноструктур на основе микрометрических плоских ДНК, мы разработали интерактивный программный инструмент, который преобразует желаемое изображение пользователя в последовательности ДНК и протоколы влажной лаборатории , " говорит Цянь. «Протокол может быть непосредственно прочитан роботом для обработки жидкости, чтобы автоматически смешивать нити ДНК вместе. ДНК-наноструктура может быть собрана без усилий».

Используя этот онлайн-инструмент и автоматические методы обработки жидкости, несколько других образцов были разработаны и собраны вместе с использованием нитей ДНК, включая портрет петуха размера бактерий и портрет бактерий в натуральную величину.

Другие исследователи ранее работали над прикреплением различных молекул, таких как полимеры, белки и наночастицы, к гораздо более мелким тканевым страницам ДНК с целью создания электронных схем с крошечными функциями, изготовления передовых материалов или изучения взаимодействия между химическими веществами или биомолекулы, работа ур дает им еще больший холст, чтобы опираться.

Филипп Петерсен, аспирант, соавтор статьи на бумаге.

Исследовательская работа называется «Фрактальная сборка микрометровых массивов ДНК оригами с произвольными шаблонами». Исследование финансировалось Фондом Вероника Берроуза, Национальной службой научных исследований Национального института здравоохранения и Национальным научным фондом.

Source link