Ключом к самостоятельной сборке была разработка первого в мире программируемого клея. Клей состоит из ДНК, и он заставляет определенные кирпичики наполненного водой геля прилипать только друг к другу, сообщают ученые в онлайн-выпуске журнала Nature Communications от 9 сентября.«Используя клей ДНК для самосборки гелевых кирпичей, мы создаем сложную программируемую архитектуру», — говорит Пэн Инь, доктор философии, член основного факультета Института Висс и старший соавтор исследования, который также является доцент системной биологии Гарвардской медицинской школы.
Этот новый метод самосборки работал с гелевыми кирпичами от маленьких, как пылинка (диаметр 30 микрон), до крупных, как песчинка (диаметр 1 миллиметр), что подчеркивает универсальность метода.Программируемый клей ДНК также может использоваться с другими материалами для создания множества небольших самосборных устройств, включая линзы, реконфигурируемые микрочипы и хирургический клей, которые могут соединять вместе только желаемые ткани, — сказал Али Хадемхоссейни, доктор философии. Ассоциированный член факультета Института Висса, который является другим старшим соавтором исследования.
«Это может сработать для всего, где вы хотите, чтобы программируемый клей стимулировал сборку структур более высокого порядка с большим контролем над их окончательной архитектурой — и это очень интересно», — сказал Хадемхоссейни, который также является доцентом Гарварда. Отделение медицинских наук и технологий Массачусетского технологического института (HST), больница Бригама и женщин и Гарвардская медицинская школа.Чтобы изготовить устройства или их составные части, производители часто начинают с цельного куска материала, а затем модифицируют его до тех пор, пока он не приобретет желаемые свойства.
В других случаях они используют ту же стратегию, что и производители автомобилей, производя компоненты с желаемыми свойствами, а затем собирая их для производства конечного устройства. Живые организмы производят свои ткани, используя аналогичную стратегию, в которой разные типы клеток собираются в функциональные строительные блоки, которые генерируют соответствующую функцию ткани. Например, в печени функциональными строительными блоками являются небольшие тканевые единицы, называемые дольками. В мышечной ткани функциональными строительными блоками являются мышечные волокна.
Ученые попытались имитировать эту производственную стратегию, разработав системы самосборки для изготовления устройств. Например, в прошлом году Инь и его команда сообщили в Science, что они разработали крошечные «кирпичики ДНК», меньшие по размеру, чем мельчайший вирус, которые самостоятельно собираются в сложные наноразмерные трехмерные структуры.Теперь он и Хадемхоссейни стремились создать аналогичную программируемую самосборную систему для мезомасштабных компонентов — тех, у которых ширина края составляет от 30 микрон до 1000 микрон (1 миллиметр).
Сначала они сосредоточились на создании системы, в которой блоки биосовместимых, биоразлагаемых гелей, называемых гидрогелями, самоорганизуются в сложные структуры. Для будущих применений небольшие блоки гидрогеля, содержащие клетки человека, потенциально могут быть введены в организм. Кирпичи будут собираться, а затем клетки срастутся, образуя функциональную ткань по мере разрушения гидрогелей.В предыдущих попытках самостоятельно собрать гидрогелевые кирпичи в сложные структуры, ученые столкнулись с проблемой: кирпичи часто налипают друг на друга, а не собираются в желаемую архитектуру.
Инь и Хадемхоссейни нуждались в способе помочь каждому компоненту привязаться только к определенным партнерам, но не к другим компонентам. Другими словами, им нужен был программируемый клей.ДНК идеально подходила для этой задачи.
Он хранит генетическую информацию в виде последовательности из четырех химических «букв» или нуклеотидов, которые определенным образом связываются с комплементарными нуклеотидами (от A до T и от C до G). Одна цепь ДНК плотно прилегает ко второй цепи, но только в том случае, если вторая цепь имеет последовательность нуклеотидов, комплементарную первой.
И даже короткий фрагмент ДНК может иметь огромное количество возможных последовательностей, что делает клей программируемым.Исследователи использовали ферменты для размножения фрагмента ДНК на длинные фрагменты ДНК, называемые «гигантской ДНК», которые содержали несколько копий этого фрагмента. Когда они покрывали кубики гидрогеля гигантской ДНК, кубики прикреплялись только к кубам-партнерам, покрытым соответствующей гигантской ДНК. Поскольку ученые могут синтезировать фрагменты ДНК с любой последовательностью, которую они хотят, это означало, что гигантская ДНК функционировала как программируемый клей для ДНК.
Чтобы собрать кубики гидрогеля в более крупные структуры, они использовали меньшие кубики гидрогеля в качестве соединителей. Они покрыли соединительный куб своим ДНК-клеем, а затем прикрепили его к одной из шести граней большего куба. Большой куб, оборудованный таким образом, прикреплялся только к другим большим кубам, соединители которых имели соответствующий клей для ДНК.Поместив соединительные кубы на разные грани больших кубов, они запрограммировали большие кубы на самосборку в определенные формы, включая соответствующую пару кубиков, линейную цепочку, квадрат и Т-образную структуру.
Метод был настолько специфическим, что, когда исследователи поместили 25 пар одинаковых кубиков в один горшок, все кубики находились и прилипали только к своим партнерам. Эта способность одновременно собирать несколько компонентов называется мультиплексностью, и новая система имеет наивысшую степень мультиплексности среди всех существующих мезомасштабных систем самосборки.
«Разработка стратегии, которая использует силу самосборки, используемую живыми системами для управления конструированием тканей из крошечных компонентов, представляет собой совершенно новый подход к тканевой инженерии», — сказал Дон Ингбер, доктор медицинских наук, директор-основатель Института Висса. . «Пэн и Али создали элегантный и простой метод, позволяющий реконструировать ткани изнутри после простой инъекции, а не требовать серьезного хирургического вмешательства».