Ученые TUM строят структуры размером с вирус, используя технологию ДНК оригами

        

Это двойные нити наших генов, которые делают их такими сильными. Используя метод, известный как оригами ДНК, биофизик Хендрик Дитц в течение нескольких лет строил объекты нанометрового масштаба в Техническом университете Мюнхена (TUM). Теперь Диц и его команда не только вышли из нанометровой сферы, чтобы строить более крупные объекты, но также сократили себестоимость в тысячу раз. Эти инновации открывают совершенно новую границу для этой технологии.

Вирусы инкапсулируют свой генетический материал в оболочку, содержащую ряд идентичных блоков белка. Например, капсула вируса гепатита В содержит 180 идентичных субъединиц, типичный случай «сборного» сооружения, часто используемого в природе.

Команда под руководством Хендрика Дитца, профессора биомолекулярной нанотехнологии в Мюнхене TU, теперь передала принципы вирусной конструкции технологии ДНК оригами. Это позволяет им проектировать и строить структуры в масштабе вирусов и клеточных органелл.

Технология основана на длинной одиночной цепочке, которая добавляется к двухнитевой структуре, используя короткие последовательности штапелей. «Двухцепочечная структура энергетически достаточно стабильна, так что мы можем заставить одиночную нить практически в любой форме использовать подходящие аналоги, – объясняет Хендрик Дитц. «Таким образом, мы можем точно проектировать объекты на компьютере размером всего в несколько нанометров».

Механизмы для наномоторов

Лаборатория лаборатории Dietz, которая позволяет им дополнительно модифицировать и вставлять химические функции в объекты, добавляя боковые группы. Но до сих пор размер объектов оставался в нанометровой области. В знаменитом научном журнале Nature команда теперь описывает, как большие конструкции могут быть построены с использованием сборных деталей.

С этой целью они сначала создали V-образные нанообъекты. Они имеют связывающие друг с другом формы связующие сайты на их сторонах, позволяя им автономно прикрепляться друг к другу при плавании в растворе. В зависимости от угла открытия они образуют «шестерни» с контролируемым числом спиц.

«Мы были в восторге от наблюдения за тем, что почти без исключения кольца сформировались в соответствии с углом открытия, – говорит Хендрик Дитц. «Решающим для способности создавать объекты такого размера и сложности является точность и жесткость отдельных строительных блоков. Например, нам пришлось укрепить отдельные элементы с помощью ригелей».

Строительство микротрубок

Для дальнейшего использования принципа строительства команда создала новые строительные блоки, которые имели «клеевые соединения» не только по бокам, но и немного слабее сверху и снизу. Это позволяет «нано-передачам» формировать длинные трубки с использованием дополнительных узлов стыковки на втором этапе.

«При длине одного микрометра и диаметре в несколько сотен нанометров эти трубки достигли размера некоторых бактерий», – объясняет Хендрик Дитц. «И мы можем использовать архитектуру отдельных элементов для определения особенностей общей структуры».

Строительство многогранных конструкций

Вдохновленные симметриями и иерархическим дизайном вирусов, исследователи также попытались построить замкнутые структуры клеток. «Потенциальным будущим применением искусственных клеток является транспортировка лекарств в организме», – объясняет Хендрик Дитц. «Здесь цель состоит в том, чтобы высвобождать активные агенты только в определенных желаемых местах, сохраняя остальную часть тела».

Используя принципы, уже применявшиеся к описанным ранее структурам, команда теперь построила новые элементы, которые, как они надеялись, собираются самоограничивающимся образом в конструкции клеток в правильных условиях. Согласно этим стратегиям, треугольная средняя секция и три V-образных элемента создают трехсторонний элемент здания.

В зависимости от угла открытия V определенное число этих единиц сливается, образуя тетраэдрические, шестигранные или додекаэдрические структуры на второй стадии. Конечные структуры объединяют до 1,8 миллиона адресуемых пар оснований ДНК в пользовательских положениях. Впервые эти клетки дискретного размера достигают молекулярных весов и размеров, сравнимых с размерами вирусов и небольших клеточных органелл.

Экономичное массовое производство

На сегодняшний день производственные процессы ограничивают сферу применения теми, кому требуется лишь небольшое количество материала. Тот факт, что только несколько микрограмм могут быть изготовлены с использованием обычных методов, исключает многие потенциальные приложения для медицины и материаловедения.

Узкое место – это короткие штапельные пряди, которые должны быть химически произведены базой. С другой стороны, основная цепь, полученная из бактериофагов, может быть получена в больших масштабах с использованием биотехнологических процессов.

Именно поэтому команда во главе с Хендриком Диц уточнила так называемые ДНК-ферменты, открытие, основанное на синтетической биотехнологии. Это линии ДНК, которые разрываются в определенных положениях при воздействии высокой концентрации ионов цинка.

Они присоединили короткие последовательности штапелей к длинной нити с использованием двух модифицированных ДНК-ферментов. «Как только они собраны с определенной базой, эти объединенные нити могут быть воспроизведены в биотехнологическом процессе, как с одиночными цепями ДНК бактериофага», – говорит Диц, объясняя ключевую особенность процесса.

Биотехнологическое производство в больших масштабах

. Как основной, так и вторичный нити, содержащие ДНК-ферменты и последовательности штапелей, были успешно получены с использованием процесса с высокой концентрацией клеток с бактериями. Процесс является масштабируемым и, следовательно, поддается высокому производству основных нитей и скоб. Увеличение концентрации ионов цинка после выделения ДНК высвобождает короткие последовательности штапелей, которые затем складывают основную нить в желаемую форму.

. Обширные исследования механизмов реакции в сотрудничестве с коллегами из Института биохимической инженерии показали, что это возможно даже в больших масштабах. В Исследовательском центре промышленной биотехнологии TUM в Гархинге ученые теперь произвели несколько граммов четырех различных объектов оригами ДНК. Масштабирование процесса до кубического метра теперь находится в пределах досягаемости.

«Таким образом, взаимодействие биотехнологии и технологических технологий позволило установить действительно фундаментальную веху на пути к будущим приложениям в области нанотехнологий ДНК», – говорит профессор Института биохимической инженерии профессор Дирк Бюстер-Ботц.

Источник:

https://www.tum.de/nc/en/about-tum/news/press-releases/detail/article/34360/

      

Source link