Origami jänku, valmistatud DNA-st

Teadlased on välja töötanud meetodi DNA-st pisikeste struktuuride loomiseks, mis põhinevad arvutiga loodud 3-D hulknurksetel kujunditel. DNA karkassi ahel on valge ja DNA põhiahelad on värvilised. Pildi andis Björn Högberg

Ülaltoodud kommivärvi jänku näeb söömiseks piisavalt hea välja, kuid see pole lihavõttepühade ülejääk. See on täielikult DNA-st valmistatud mikroskoopilise küülikukujulise struktuuri 3-D-prinditud mudel. Suurendatud pilt sellest pisikesest struktuurist (mis on 50 nanomeetrit pikk) paistab allapoole. Kas saate aru selle puuvillasaba kujust?

Veidi üle 30 aasta on teadlased katsetanud DNA-ga nanostruktuuride loomist, alates lihtsatest kahemõõtmelistest lehtedest kuni keerukamate kujunditeni, nagu oktaeedrid, tähed ja isegi naeratavad näod .

'Hämmastav on see, et DNA võib toimida nii teabe salvestamise molekulina, kuid see võib toimida ka nagu Lego ehitusplokk,' ütleb Shawn Douglas, kes töötab DNA nanotehnoloogiaga tema labor California ülikoolis San Franciscos (ta ei olnud jänkutööga seotud).

Tõepoolest, paljud omadused, mis muudavad DNA looduses kasulikuks, sobivad nanomõõtmelisele ehitusmaterjalile. Näiteks DNA ahelad kogunevad lahuses ise tänu komplementaarsele aluste sidumisele. Lisaks võib nukleiinhape seostuda teiste molekulidega, näiteks valkudega, võimaldades tal toimida keeruliste nanomasinate karkassina. 2010. aasta artikkel sisse ilmumine Loodus . Teisisõnu saavad teadlased DNA-le kleepida asju, mis kohandavad selle teatud ülesannete jaoks.

Küüliku loonud meeskond kasutas DNA-ga manipuleerimise tehnikat nimega DNA origami, mis oli Esmakordselt kirjeldati 2006 . Lühidalt öeldes hõlmab meetod üheahelalise DNA pika tüki voltimist lühemate ahelate (nn 'klambrid') abil, mis seonduvad pikema ahela komplementaarsete järjestustega, 'klammerdades' selle tõhusalt paika.

Kuid teadlased lisasid sellele lähenemisele pöörde, laenades ideid nii arvutigraafikast kui ka graafiteooriast.

Aruandlus a viimane väljaanne kohta Loodus , kasutasid nad 3D-tarkvara, et luua esmalt kujundeid, mida CG-keeles tuntakse kui 'võrke'. (Põhimõtteliselt on võrk hulk hulknurki, mis on kokku liimitud, moodustades kujundi, mis annab edasi kolmemõõtmelisust. Pilt a Swarovski kristallist kujuke , ja selline näeb jänkuvõrk välja. Vaata ülaltoodud pilti.)

Järgmisena kasutasid nad algoritmi, et välja selgitada, kuidas saaks ühte DNA ahelat mööda võrgu iga serva suunata. Algoritmi väljatöötamiseks kasutasid nad matemaatilist kontseptsiooni, mida tuntakse kui a Euleri ahel , mis on ahel, mis puudutab mitmepoolse kujundi iga serva ainult üks kord.

Kui antud võrgusilma otsimisel ei leidnud algoritm läbimata marsruuti, selgitas ta välja, millised servad kahekordistada, mis tooks kaasa minimaalse kattumise. Kui kogu marsruut oli kindlaks määratud, asustas tarkvara selle valitud DNA ahela järjestusega. (Nad kasutasid teadaoleva järjestusega bakteriofaagi DNA-d.)

Viimased sammud hõlmasid 'põhiliste' DNA ahelate määratlemist, mis hoiavad pikka ahelat võtmepiirkondades koos; nende ahelate tellimine DNA sünteesimisega tegelevalt ettevõttelt; ja visake pikad koos lühikesega lahuses kokku, et need saaksid ise kokku panna.

Realiseeriti 3-D nanostruktuurid, mis mikroskoobi all vaadatuna meenutasid tegelikult jänkuvõrku, aga ka mitmed muud kujundid, mille teadlased olid kujundanud, sealhulgas pudel ja lehvitav pulkmees. (Kindlasti ei valitud jänku kapriisi järgi: see põhineb eksperimentaalsel mudelil, mida tavaliselt kasutatakse arvutigraafika tehnikate testimiseks ja mida tuntakse kui ' Stanfordi jänku ”, ülikooli jaoks, kus teadlased selle esmakordselt välja töötasid. Mudel ise põhineb terrakotta küülikul.)

Nanostruktuuri kujundid on 'paisutatud ja avatumad' kui varasemad DNA origami abil kujundatud kujundid, ütleb Björn Högberg. teadusdotsent Rootsis Stockholmis asuvas Karolinska Instituudis, kes juhtis tööd. 'See, mida inimesed olid varem teinud, oli teha 3-D struktuure, mis sarnanesid natuke rohkem tahkete tellistega,' ütleb ta – see tähendab, et DNA paigutus haakus nagu Lincoln Logs, samas kui need uuemad struktuurid on pigem puurid.

DNA konformatsiooni tüüp, mille uurija otsustab nanostruktuuris kasutada, 'sõltub sellest, millist tüüpi rakendusi soovite origami struktuure kasutada,' ütleb Högberg.

Kuigi jänku jt. on tõenäolisemad, on DNA nanostruktuuride potentsiaalsed rakendused üldiselt mitmesugused. Näiteks Högbergi meeskond uurib rakulist suhtlust, kinnitades DNA origami karkassidele erinevate mustritega valke ja paljastades need rinnavähirakkudele. Ja on mõeldav, et mõni aeg tulevikus võib DNA nanostruktuur hõlmata ravimit ja pärast sihtraku valgu tuvastamist kehas vabastada selle.

DNA on omamoodi 'superstaarmolekul', ütleb Douglas. Nüüd, kui jänku on mütsist väljas, saab see veel palju teha.