В технике, известной как ДНК-оригами, исследователи снова и снова складывают длинные нити ДНК, чтобы построить множество крошечных трехмерных структур, включая миниатюрные биосенсоры и контейнеры для доставки лекарств. Методика ДНК-оригами, впервые примененная в Калифорнийском технологическом институте в 2006 году, за последнее десятилетие привлекла сотни новых исследователей, стремящихся создать приемники и датчики, которые могли бы обнаруживать и лечить болезни в организме человека, оценивать воздействие загрязняющих веществ на окружающую среду и помогать в множество других биологических приложений.

Хотя принципы ДНК-оригами просты, инструменты и методы этой техники для конструирования новых структур не всегда легко понять и не были хорошо задокументированы. Кроме того, у ученых, плохо знакомых с этим методом, не было единого справочника, к которому они могли бы обратиться, чтобы найти наиболее эффективный способ построения структур ДНК и как избежать ловушек, на которые можно было бы потратить месяцы или даже годы исследований.

Вот почему Джейкоб Маджикс и Алекс Лиддл, исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST), которые много лет изучали ДНК-оригами, составили первое подробное руководство по этой технике. Их подробный отчет содержит пошаговое руководство по созданию наноструктур ДНК-оригами с использованием самых современных инструментов. Маджайк и Лиддл описали свою работу в выпуске за 8 января Журнала исследований Национального института стандартов и технологий .

Мы хотели собрать все инструменты, разработанные людьми, в одном месте и объяснить то, о чем нельзя сказать в традиционной журнальной статье. Обзорные статьи могут рассказать вам обо всем, что сделали все, но не расскажут, как люди это сделали. "

Джейкоб Маджикес, исследователь, Национальный институт стандартов и технологий (NIST)

ДНК-оригами основывается на способности комплементарных пар оснований молекулы ДНК связываться друг с другом. Среди четырех оснований ДНК – аденина (A), цитозина (C), гуанина (G) и тимина (T) – A связывается с T, а G с C. Это означает, что определенная последовательность As, Ts, Cs и Gs найдет и свяжет его дополнение.

Связывание позволяет коротким цепям ДНК действовать как «скобы», удерживая участки длинных цепей сложенными или соединяя отдельные цепочки. Типичный дизайн оригами может потребовать 250 скоб. Таким образом, ДНК может самоорганизовываться в различные формы, образуя наноразмерный каркас, к которому может прикрепляться набор наночастиц, многие из которых используются для лечения, биологических исследований и мониторинга окружающей среды.

Использование ДНК-оригами сталкивается с двумя проблемами, – сказал Маджикес. Во-первых, исследователи создают трехмерные структуры, используя иностранный язык – пары оснований A, G, T и C. Кроме того, они используют эти скобы для пар оснований, чтобы скручивать и раскручивать знакомую двойную спираль молекул ДНК, так что пряди изгибаются в определенные формы. Это может быть сложно спроектировать и визуализировать. Маджайк и Лиддл призывают исследователей укрепить свою дизайнерскую интуицию, создавая трехмерные макеты, такие как скульптуры, сделанные с помощью стержневых магнитов, до того, как они начнут производство. Эти модели, которые могут показать, какие аспекты процесса сворачивания являются критическими, а какие менее важными, затем следует «сплющить» в 2D, чтобы они были совместимы с инструментами автоматизированного проектирования для ДНК-оригами, которые обычно используют двухмерные представления.

Сворачивание ДНК может быть выполнено разными способами, некоторые из которых менее эффективны, чем другие, отмечает Маджикс. Фактически, некоторые стратегии могут быть обречены на провал.

«Указывая на такие вещи, как« Вы могли бы сделать это, но это не лучшая идея »- такого типа точки зрения нет в традиционной журнальной статье, а потому, что NIST сосредоточен на управлении состоянием технологий в стране , мы можем опубликовать эту работу в журнале NIST », – сказал Маджикс. «Я не думаю, что есть что-то еще, что дало бы нам свободу действий, время и человеко-часы, чтобы собрать все это вместе»

Лиддл и Маджайкс планируют дополнить свою работу несколькими дополнительными рукописями, в которых подробно описывается, как успешно создавать наноразмерные устройства с ДНК.