Нанотехнологии на основе ДНК

Дважды пересекающаяся структура из ДНК в геле.

Нанотехнологии на основе ДНК ( англ. DNA nanotechnology) — разработка и производство искусственных структур из нуклеиновых кислот для технологического использования. В этой научной области нуклеиновые кислоты используются не как носители генетической информации в живых клетках, а в качестве материала для нужд небиологической инженерии наноматериалов.

В технологии используются строгие правила спаривания оснований нуклеиновых кислот, которые для формирования прочной жесткой структуры двойной спирали допускают только связывание вместе частей нитей с комплементарными последовательностями оснований. Исходя из этих правил, появляется возможность инженерного проектирования последовательности оснований, которая будет выборочной сборкой образовывать сложные целевые структуры с точно настроенными наноразмерными формами и свойствами. В основном, для создания материалов используется ДНК, однако были построены и структуры с включением других нуклеиновых кислот, таких как РНК и пептидо-нуклеиновые кислоты (ПНК), позволяя использовать для описания поля технологий название «нанотехнологии на основе нуклеотидных оснований» [1] [2] .

Основная концепция нанотехнологий на основе ДНК была впервые предложена в начале 1980-х годов Надрианом Симэном, и в середине 2000-х годов это поле для исследований начало привлекать широкий интерес. Исследователи, работающие в новой появляющейся области технологий, создали статические структуры, такие как двух- и трёхмерные кристаллические решётки, нанотрубки, многогранники и другие произвольные формы, а также — функциональные структуры, такие как молекулярные машины и ДНК-компьютеры.

Для сборки этих структур используется множество методов, включая плиточное структурирование, где плитки собираются из более мелких структур, складывающиеся структуры, создаваемые с помощью метода ДНК-оригами, и динамически перестраиваемые структуры, создаваемые с использованием методов перемещения пряди. Исследовательское поле начинает использоваться в качестве инструмента для решения проблем фундаментальной науки в областях структурной биологии и биофизики, включая прикладные задачи кристаллографии и спектроскопии для определения структуры белка. Также ведутся изыскания для потенциального применения в масштабируемой молекулярной электронике и наномедицине.

Основные понятия

Свойства нуклеиновых кислот

Эта четрёхнаправленная связь в ДНК-перекрёстке, которая даёт наибольшее количество правильных спаренных оснований, в которых A подходит к T и C подходит к G [3] [4]
Дважды пересекающаяся сверхмолекулярная конструкция, состоящая из пяти одиночных нитей ДНК, которые образуют две двойно-спиральных области, сверху и снизу этого изображения. Представлены две точки пересечения, где ветви пересекаются и образуют пересечение областей [3]

Под нанотехнологиями часто подразумевают изучение материалов и устройств, размеры составляющих которых меньше 100 нм. Нанотехнологии на основе ДНК, в частности, являются примером восходящей самосборки молекул, в которых молекулярные компоненты спонтанно организуются в устойчивые структуры; конкретный вид этих структур определяется физическими и химическими свойствами составляющих, выбранных конструкторами [5]. В нанотехнологиях на основе ДНК материалом составляющих являются нити нуклеиновых кислот, таких как ДНК, которые хорошо подходят для строительства наноразмерных объектов, поскольку двойная спираль из нуклеиновых кислот имеет диаметр 2 нм и длину одного участка оборота на 360 ° — 3,5 нм.

Ключевой особенностью, которая делает нуклеиновые кислоты более удобными для построения структур, отличающая их от других материалов, является то, что крепление между двумя нуклеиновыми кислотами зависит от простых и хорошо изученных правил спаренных оснований, при этом оно образует чётко определенную структуру, что в совокупности позволяет легко сборкой структур из нуклеиновых кислот через проектирование нуклеиновых кислот. Это особенность отсутствует в других нанотехнологичных материалах, в том числе — белках, проектирование которых очень затруднительно, а также — наночастицах, которые не имеют возможностей для управляемой самосборки [6].

Структура молекулы нуклеиновой кислоты состоит из последовательности нуклеотидов, которые различаются по содержащимся в них азотистым основаниям. В ДНК представлены четыре основания: аденин (А), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (Т). Нуклеиновые кислоты обладают тем свойством, что молекулы, в процессе образования двойной спирали, связываются друг с другом только если две последовательности азотистых оснований комплементарны. То есть это значит, что они образуют подходящие последовательности пар оснований, в которых А прикрепляется только к T, а С прикрепляется только к G [6] [7]. Поскольку формирование правильно подобранных пар оснований является энергетически выгодным, ожидается, что нуклеиновые кислоты в большинстве случаев связываются друг с другом в конформации, которая максимизирует количество правильно спаренных оснований. Таким образом, последовательности оснований в системе нитей позволяют определять образец связки и общую структуру объекта легко контролируемым путём. В нанотехнологиях на основе ДНК, последовательности оснований нитей определяются исследователями так, что взаимодействия спаривания заставляют нити собирать заданные конформации [4] [6].

Подполя исследований

Нанотехнологии на основе ДНК иногда делят на два пересекающихся подполя: структурные нанотехнологии на основе ДНК и переменчивые нанотехнологии на основе ДНК. В структурных нанотехнологиях на основе ДНК (иногда — сокращённо СНнД ( англ. SDN) основное внимание уделяется синтезу и характеристике нуклеиновых материалов и комплексов, которые собираются в конечные равновесные состояния. В то же время, переменчивые нанотехнологии на основе ДНК сосредоточены на комплексах с полезным неравновесным поведением, чьи состояния можно поменять путём химического или физического стимула. Некоторые наноразмерные комплексы, такие как нуклеиновые кислоты наномеханических устройств, сочетают в себе черты обоих (структурного и переменчивого) подполей [8] [9].

Конструкции, построенные в рамках нанотехнологий на основе ДНК используют топологически разветвленные структуры нуклеиновых кислот, содержащие соединения. (В отличие от большинства биологических ДНК, существующих в виде неразветвленной двойной спирали). Одной из простейших разветвленных сборок является четырёхнаправленный узел, который состоит из четырёх отдельных нитей ДНК, части которых комплементарны по определенной схеме. В отличие от естественной структуры Холидея, каждое направление в неподвижном искусственном узле имеет отличную от других последовательность оснований, в результате чего точки соединения оказываются в строго определённом месте. В одной сборке могут быть объединены множественные переходы, например, в широко используемое двойное пересечение (ДП ( англ. DX)), которое содержит две параллельных области двойных спиралей со взаимным пересечением прядей областей в двух различных точках. Каждая точка пересечения топологически сама является четырёхнаправленным узлом, при этом ограничена в одной ориентации. Так что в отличие от гибкого одиночного четырёхнаправленного узла, двойное пересечение обеспечивает жёсткость, что делает его подходящим строительным блоком для увеличения сборок ДНК [6] [4].

Переменчивые нанотехнологии на основе ДНК для того, чтобы обеспечить возможность перестроить сборку нуклеиновых кислот (в ответ на добавление новой нуклеиновой кислоты), используют механизм, называемый « опороопосредованное смещение нитей» ( англ. toehold-mediated strand displacement). В этой реакции входящая нить связывается с одноцепочечной опорной областью двухцепочечной сборки, а затем — вытесняет одну из связанных оригинальной сборки при помощи процесса «миграции ветви». Как результат, одна из ветвей сборки заменяется другой [8]. Кроме того, перестраиваемые сборки и устройства можно создавать, используя функциональные нуклеиновые кислоты, такие как дезоксирибозимы и рибозимы, которые способны производить химические реакции и аптамеры, которые могут связываться со специфическими белками или небольшими молекулами [10].

другие языки