Программирование ДНК-наноструктур
источник: Чердак ,21,12,2018
Ученые сыграли в крестики-нолики на нанометровой доске из ДНК
Матч продолжался шесть дней. «Крестики» победили
https://retina.news.mail.ru/pic/6a/0...c10c9c923.jpeg
Команда биохимиков из Калифорнийского технологического института продолжила развивать свою методику самосборных ДНК-плиток по технологии ДНК-оригами. Ученые создали игровую доску для игры в крестики-ноликис помощью методики фрактальной сборки. Крестики и нолики тоже были из ДНК, собирались и крепились к нужной клетке игровой доски при помощи техники ДНК-оригами. В научной статье описывается один из матчей, который ученые провели в лаборатории — он продолжался шесть дней, «крестики» победили.
ДНК-оригами — это технология построения структур и даже механизмов в наноразмере. Основана она на том, что молекула ДНК имеет свойство «самосборки».
Нити ДНК состоят из сахарофосфтных остовов (собственно, нити) и прикрепленных к ним четырех типов молекул-оснований: аденина, гуанина, цитозина и тимина, которые обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Особенность оснований в том, что они имеют свойство комплементарности, то есть, могут притягиваться друг другу водородными связями, причем в строго определенном сочетании. Аденин соединяется только с тимином, а гуанин — только с цитозином. Соответственно, любая последовательность оснований будет стремиться образовать пару с комплементарной последовательностью. Например, АТТГЦА будет соединяться с ТААЦГТ.
Если взять небольшой участок одной нити ДНК и соединить на нем комплементарные участки на манер застежки-молнии, получится структура со «слипшейся» нитью и петлей на конце, которую биохимики называют «скрепкой». С помощью таких скрепок, помещенные в нужные места более крупных ДНК-нитей, можно заставить те сворачиваться в сложные двухмерные структуры. Создатель ДНК-оригами Пол Ротмунд делал из молекул ДНК смайлики, звездочки и надписи.
https://retina.news.mail.ru/pic/57/3...a80e28feb.jpeg
Очень скоро ученые научились делать из таких нитей ДНК и трехмерные структуры, например, октаэдры, и даже простейших нано-роботов. Логичным развитием идеи было предположить, что отдельные ДНК-фигурки можно соединять в одну макроструктуру, создавая повторяющиеся узоры. Это удалось команде биохимиков из Калифорнийского технологического института под руководством Лулу Цяня. Они создали методику фрактальной сборки.
Эта методика позволяет соединять небольшие элементы таких ДНК-изображенийв большие двумерные массивы. В своей работе авторы предложили алгоритм, который позволял определять последовательность основной молекулы ДНК и «скрепок», которые складывают ее в нужную форму для того, чтобы получить заранее заданное изображение.
Так ученые из Калтеха собрали с помощьюДНК-оригами квадратный элемент со стороной меньше 100 нанометров, состоящий из 22 небольших участков ДНК, соединенных между собой «скрепками».
В нужных местах к ним прикреплялись метки, которые потом можно было с помощью атомно-силового микроскопа увидеть в виде пикселя. В результате получался элемент изображения, состоящий примерно из 100 пикселей.
Соединяя такие плитки вместе с помощью разных видов «скрепок» ученые получили изображения Моны Лизы, петуха, бактерии и шамхатной доски на квадрате со стороной в несколько сот нанометров.
Чтобы собрать картинку плитка за плиткой, потребовалось бы слишком много «скрепок» разных видов, поэтому ученые пошли другим путем: они стали собирать плитки поэтапно, как собирают сначала маленькие области паззла, затем из них — более большие области, а из тех, наконец, создать законченный паззл. В каждой плитке используются одни и те же четыре ребра, но поскольку эти головоломки собраны отдельно, нет риска, например, того, что угловая плитка окажется в неправильном углу.
Теперь команда пошла еще дальше в развитии своего метода и создала более динамичные ДНК-плитки двух видов — X (крестики) и О (нолики), которые можно добавлять на доску из ДНК, что описано в статье в Nature Communications.
Мы разработали механизм, чтобы программировать динамическое взаимодействие между сложными ДНК-наноструктурами.Используя этот механизм, мы создали самую маленькую в мире игру в крестики-нолики, где каждое движение включает молекулярную самосборку, обмениваясь сотнями нитей ДНК одновременно.
Лулу Цянь
Биохимик
По сути, плитки, хотя и имеют квадратную форму, спроектированы так, чтобы вести себя как кусочки мозаики. Каждая плитка имеет свое место в собранном изображении, и она подходит только в этом месте. Такая плитка ищет назначенное ей место в макроструктуре и «выбивает» оттуда уже стоящую там плитку.
Для начала игры Цянь подготовил в пробирке раствор ДНК, образующей пустые плитки. Затем игроки поочередно добавляли на доску величиной 264 на 264 нанометра либо Х, либо О. Эти плитки были запрограммированы скользить на определенное место на доске. После шести дней отчаянного сражения «крестики» победили.
