Самосборные ДНК делают 3D-наномашины
Ученые продолжают в передовых лабораториях погружаться в микро- и нанопространство, изобретая все новые методы создания устройств, которые уже не поместить в музеи микроминиатюр – они не оборудованы электронными микроскопами. А жаль: механизмы, которые научился делать Уильям Ших на Факультете биологической химии и молекулярной фармакологии Института онкологии, Дана-Фарбера (Dana-Farber Cancer Institute) куда интереснее и технологичнее микроизделий наподобие вставленного в волос цветка или модели автомобиля. Хотя бы потому, что строительным материалом для них является... ДНК.
В опубликованных в издании Science результатах исследований команда Шиха показала, что они способны контролировать кривизну и изгиб структур ДНК, что является ключом для создания механизмов разнообразных форм. Достижение – не просто часть соревнования в индустрии за еще более совершенные технологии миниатюризации. Ученые в обширном поле нанотехнологий с использованием структурированной ДНК изучают потенциал ДНК как исходного материала для следующего поколения электронных схем, сенсоров и биомедицинских устройств.
"ДНК – это лучший строительный материал в мире, по моему мнению", - говорит химик Нед Симэн (Ned Seeman) из Нью-Йоркского университета (NYU). Вдобавок к известным свойствам – азотистое основание аденин (А) связывается с тимином (Т), а гуанин (G) с цитозином (С) – структурные особенности ДНК были тщательно изучены за более чем полувековой промежуток времени, и можно предсказывать атомную структуру фактически любой ДНК-конструкции с поразительной точностью. С 1980-х годов Симэн без особого шума занимался проектом цепочек ДНК, которые могли бы самостоятельно себя собирать в плитки, трехмерные многогранники и даже наномашины, которые автоматически "прогуливаются" вдоль других цепочек ДНК.
В 2006 году технология наконец вышла в научный свет, появившись в журнале Nature в виде публикации с забавными лицами, каждое из которых было составлено из длинных сложенных вместе нитей ДНК, тщательно уложенных в форму с помощью миниатюрных "скоб". Техника такой сборки разработана ученым из Калифорнийского технологического института (CalTech) Полом Ротмундом (Paul Rothemund) и названа "ДНК-оригами". В мае ученые из Копенгагенского центра нанотехнологий и ДНК описали "ящик" из ДНК с "крышкой", которая открывается с помощью ДНК-ключа и может выпускать наружу некоторое содержимое, например, лекарство. Такой биомеханизм может быть направлен в клетки и будет открываться только при воздействии содержащегося в них гена. Но более многообещающая сфера – это конструирование сверхсложных устройств.
Поскольку комплементарные последовательности ДНК распознают друг друга, короткие цепочки способны действовать как "адресные ярлыки" для задания направления "грузам" – точного местоположения больших площадок из "ДНК-оригами". Промаркированные протеины, химические соединения и даже наноэлектронные компоненты смогут находить и занимать заданную позицию для формирования комплексных молекулярных машин, которые в сущности будут конструировать сами себя.
В последнем исследовании команда Шиха создала из ДНК изогнутые структуры с помощью добавления или удаления парных оснований, чтобы инициировать изгибающее нити усилие. "Структуры ДНК являются "умными" материалами, которые мы используем для сборки "бессмысленных" конструкций, имеющих тем не менее имеют интересные свойства", - говорит химик и специалист по компьютерным наукам Том ЛеБин (Thom LaBean) из Университета Дьюка (Duke University), который в настоящее время работает над образцами проводников из ДНК и транзисторами с единичным электроном, которые могут превратить созданные из ДНК площадки в электронные платы наномасштаба. ЛеБин также трудится над биокомпьютерами из ДНК, РНК и протеинов, которые будут отвечать на биологические сигналы. Подобные механизмы должны только выиграть от возможностей трехмерных конструкций. Кроме того, в 3D можно реализовать намного больше идей, нежели в 2D-структурах. Одна из рассматриваемых учеными прикладных областей – солнечные панели из ДНК, которые с включенными в состав атомами металлов или химическими соединениями будут имитировать эффективные механизмы бактерий, перерабатывающих солнечную энергию.
Все эти технологии имеют и препятствия на пути воплощения в продукты прикладного характера. Например, необходимо найти более дешевый способ производства больших количеств ДНК, оптимизировать процесс конструирования, продемонстрировать безопасность для людей. Среди более фундаментальных камней преткновения – скептицизм научного сообщества и поиск людей с достаточно широким кругозором и знаниями для междисциплинарных исследований, включающих элементы биологии, физики, химии, компьютерных наук и материаловедения.
