Устройства и агрегаты из динамических ДНК создаются комплементарными по форме 3D-компонентами без спаривания оснований
Dynamic DNA devices and assemblies formed by shape-complementary, non–base pairing 3D components. Thomas Gerling, Klaus F. Wagenbauer, Andrea M. Neuner, Hendrik Dietz. Science. 2015. Vol. 347. No 6229. P. 1446–1452.
Сегодня в большинстве опытов с наномашинами на базе ДНК используется особый класс методов их сборки, которые в научном сообществе известны под собирательным названием «ДНК-оригами». В этой методике основой для любых деталей биомашин служит длинная одинарная цепочка ДНК, которая сплетается в нужный трехмерный предмет при помощи коротких «шпилек» из нескольких нуклеотидов – кирпичиков ДНК. Подобные наноконструкции весьма ограничены в своем применении и их форму и функцию можно задать лишь один раз при первоначальной сборке. Проблема заключается в самой технологии сборки – для соединения деталей «оригами» и сплетения одиночной цепочки ДНК используются прочные химические связи между самими нуклеотидами, которые крайне сложно разорвать. Авторы исследования нашли решение этой проблемы, используя те же принципы, которые живые клетки используют при сборке и работе сложных белковых молекул и при транспортировке нуклеотидов к месту сборки цепочек ДНК. Авторы создали методику, которая позволяет создавать наномашины из коротких молекул ДНК, способных самостоятельно пересобираться и менять свою структуру, что позволит инженерам осуществлять сборку сложных и многофункциональных роботов из уже готовых деталей. Они использовали в качестве базовых элементов не нуклеотиды или «шпильки» из них, а готовые блоки из молекул ДНК. Эта технология позволила сделать конструкции более гибкими. Подобные блоки могут соединяться с другими блоками при определенных условиях и формировать произвольные трехмерные структуры, а затем распадаться на части при изменении температуры, химического состава среды или других параметров. Эти строительные блоки можно запрограммировать так, что их сборка будет осуществляться только определенным образом. Это позволяет собирать сложных, крайне подвижных и многофункциональных нанороботов, способных самособираться после прибытия к «месту работы» из набора ДНК-частиц, а затем разбираться на части, когда необходимость в них закончится. На основе разработанного принципа были созданы гомо- и гетерогенные многомерные объекты, включая микрометровые одно- и двужильные нити и решетки, а также трансформируемые объекты. Для демонстрации их работоспособности авторы собрали несколько ДНК-«трансформеров», способных работать в качестве двигателей, рук-манипуляторов и других инструментов. Наблюдения, произведенные с помощью электронной микроскопии, одномолекульной флуоресцентной резонансной спектроскопии и электрофоретического анализа показывают, как работой таких устройств можно управлять, меняя концентрации ионов в растворе, что позволяет их включать или выключать, а изменение температуры заставляет таких «трансформеров» менять форму и пересобираться, поставляя энергию для таких преобразований. Главным плюсом новой технологии является ее простота для инженеров – подобных роботов можно собирать прямо на компьютере, используя специальный язык программирования, подобный машинному языку процессора. Как надеются ученые, эта гибкость и удобство помогут вывести технологию ДНК-роботов на уровень практического применения.
В.В. Стрекопытов