Чтобы реализовать эти функции, исследователи из Гарвардского института биологической инженерии Висса и по всему миру разработали способы, позволяющие цепям ДНК самосбораться во все более сложные трехмерные структуры, такие как каркасные оригами ДНК. Однако ДНК-оригами ограничены в размерах, потому что они зависят от наличия цепей каркаса, которые сложно производить и манипулировать ими.
В 2012 году Пэн Инь и его команда из Института Висс представили альтернативный метод в природе (2D) и науке (3D), основанный на «кубиках» ДНК, которые не используют каркас, а скорее способны соединяться, как блокирующие конструкторы Lego. ® и, таким образом, самостоятельно собираются в конструкции размером с оригами заданной формы.Как сообщается в Nature, команда обогнала свою технологию на два порядка, что позволило кирпичикам ДНК следующего поколения самостоятельно собираться в трехмерные наноструктуры, которые в 100 раз сложнее, чем те, которые созданы с помощью существующих методов. ДНК-оригами и блоки ДНК первого поколения самособираются из сотен уникальных компонентов для создания наноструктур в масштабе МегаДальтон, тогда как новый подход блоков ДНК позволяет 10 000 компонентов самостоятельно собираться в структуры размером с Гигадальтон (1 Гигадальтон равен 1000 МегаДальтон или 1 миллиард Дальтон). В исследовании представлены удобные для пользователя вычислительные инструменты для проектирования наноструктур ДНК со сложными полостями (и, возможно, поверхностей), которые потенциально могут служить компонентами конструкции во многих нанотехнологических приложениях в медицине и инженерии.
«Принцип и многообещающие возможности наших блоков ДНК первого поколения заставили нас задаться вопросом, можем ли мы улучшить систему для получения значительно более сложных наноструктур с гораздо более высокими выходами в реакциях сборки в одном сосуде. Здесь нам удалось сделать все это. Мы работали из легкодоступной практической платформы, которая позволяет исследователям с самыми разными интересами и приложениями создавать молекулярный холст из 10000 кирпичей и использовать его для создания наноструктур с беспрецедентной сложностью и потенциалом », — сказал автор-корреспондент Инь, доктор философии, член основного факультета Института Висса, соруководитель инициативы Института по молекулярной робототехнике и профессор системной биологии Гарвардской медицинской школы.Технология «кирпичиков ДНК» основана на стабильной и хорошо программируемой природе ДНК.
Одиночный блок ДНК — это короткая цепь синтетической ДНК, состоящая из заранее определенной последовательности четырех универсальных нуклеотидных оснований: аденина (A), цитозина (C), гуанина (G) и тимина (T). Исследователи Wyss Institute создают большие трехмерные наноструктуры, смешивая различные кирпичики, каждый из которых несет свою уникальную последовательность нуклеотидов, которая предназначена для связывания и связывания с дополнительным доменом нуклеотидных оснований в другом кирпичике, чтобы они могли самостоятельно собираться.
В новой версии технологии, варьируя длину отдельных связывающих доменов внутри блоков, команда в итоге получила значительно увеличенное разнообразие возможных блоков, которые, кроме того, гораздо сильнее связываются друг с другом. В ходе исследования также было разработано удобное компьютерное программное обеспечение, чтобы дизайнеры могли просто ввести требуемую трехмерную форму и автоматически получить список последовательностей блоков ДНК, которые можно синтезировать и использовать для формирования желаемой структуры.
«Мы продемонстрировали возможности нашей технологии, построив массивные кубоиды, содержащие до 30 000 кирпичей, и показали несколько образцовых форм, которые можно построить из подмножеств этих кирпичей. Примечательно, что кирпичи смогли различить десятки тысяч потенциальных партнеров. чтобы найти своих правильных соседей, и было захватывающе видеть, что технику кирпичиков ДНК можно использовать для формирования довольно сложных полостей, таких как плюшевый мишка, слово «ЛЮБОВЬ» или полоса Мебиуса, среди многих других », — сказал первый автор Лувена Онг, доктор философии, бывший аспирант лаборатории Инь, а теперь научный сотрудник Bristol-Myers Squibb.Команда Инь сотрудничала с исследователями из Национального центра научных исследований (CNRS) и Французского национального института здравоохранения и медицинских исследований (INSERM) в Монпелье, Франция, и Института биохимии Макса Планка в Мюнхене, Германия, чтобы развернуть коллекцию государственных медицинских исследований. новейшие методы микроскопии для визуализации созданных полостей в трехмерных кубоидах. «Полостные структуры, состоящие из блоков ДНК, представляют большой интерес, поскольку они предлагают возможность конструировать наноконтейнеры, в которых биомолекулы, такие как белки, могут быть размещены в очень определенных структурах для изучения их взаимодействия и усиления их активности», — сказал соавтор-корреспондент Юнган Кэ. , Доктор философии, который разработал первую платформу блоков ДНК с Инь в качестве научного сотрудника в Институте Висс, а теперь является доцентом Технологического института Джорджии и Университета Эмори.
Ке, работая вместе со своим аспирантом Пэнфэем Вангом, сыграл важную роль в продвижении технологии до ее новой версии. «Добавляя функциональные компоненты к блокам ДНК, которые могут выполнять сборочные и ферментативные процессы, их можно превратить в мощные инструменты для коммерческих и биомедицинских процессов нанопроизводства в новом масштабе», — сказал Кэ. Исследователи полагают, что в будущем этот метод также может быть использован для создания больших наноструктур с рельефными внешними поверхностями, ориентированными на конкретные приложения.
«То, как развивается технология многогранных блоков ДНК, показывает, как Инициатива молекулярной робототехники Института Висса может глубоко проникнуть в область нанотехнологий ДНК, чтобы реализовать новые подходы, которые могут решить многие проблемы реального мира», — сказал директор-основатель Wyss Institute Дональд Ингбер, доктор медицинских наук. Доктор философии, который также является профессором биологии сосудов в HMS и Программы биологии сосудов в Бостонской детской больнице, а также профессором биоинженерии в SEAS.Другими авторами исследования являются соавтор-корреспондент Гаэтан Беллот, доктор философии, который руководил работами по реконструкции наноструктур ДНК с помощью трехмерной электронной томографии вместе с Патриком Броном, доктором философии, и Джозефиной Лай-Ки-Хим, доктором философии.
Доктор философии в CNRS и INSERM в Монпелье, Франция, и Ральф Юнгманн, доктор философии, факультет LMU в Мюнхене и Институте биохимии Макса Планка в Германии, и его аспиранты Флориан Шудер и Максимилиан Штраус. Дополнительными авторами являются бывшие и нынешние члены команды Yin’s Wyss Institute, в том числе приглашенный студент Никита Ханикель, научный сотрудник Кейси Грюн, доктор философии, Джоселин Киши, доктор философии, и Кэмерон Мирволд, доктор философии, которые во время В исследовании участвовали аспиранты, аспирант Бей Ван и младшие научные сотрудники Омар Яги и Аллен Чжу.
Исследование было поддержано Институтом Висс по биологической инженерии, Управлением военно-морских исследований, Управлением армейских исследований, Исследовательской премией Билли и Берни Маркуса от Института рака им. Эмори Уиншипа, а также стипендиями Национального научного фонда, Немецкого национального академического фонда и Немецкая служба академических обменов.