» » Лотосы из ДНК-оригами

Лотосы из ДНК-оригами


Лотосы из ДНК-оригами

Цветы лотоса на этой микрофотографии сделаны из молекул ДНК и смоделированы при помощи программы PERDIX (Programmed Eulerian Routing for DNA Designs using X-overs*) — новейшей совместной разработки Массачусетского технологического института (MIT) и Аризонского университета. Эта программа позволяет автоматизировать дизайн двумерных структур из ДНК произвольной формы. С ее помощью можно превратить практически любой графический рисунок в модель для ДНК-конструктора.

ДНК — основной носитель генетической информации в клетках — может использоваться в качестве строительного материала для разнообразных наноподелок. Благодаря универсальности и принципу комплементарности ее длинные молекулы удобно складывать, а благодаря стабильности ДНК поделки не разваливаются. Методика создания таких крошечных объектов была предложена в 2006 году и получила название «ДНК-оригами» (DNA origami).

ДНК-оригами используется в разных исследованиях, например при создании нано-контейнеров или даже роботов для доставки лекарств. Впрочем, для рекламы свои разработок исследователи используют разные забавные примеры. Так, из ДНК уже собирали портреты Джоконды размером в полмикрона, делали плюшевых мишек и даже играли ей в крестики-нолики. Новый софт позволяет любому присоединиться к этому развлечению.

Раньше создание плоской фигурки из ДНК-оригами с внутренним скелетом требовало ручного моделирования. В 2016 году вышла статья c описанием автоматизации этого процесса для скелетов многогранных трехмерных фигурок (программа DAEDALUS), но предложенный метод не подходил для плоских объектов. Поэтому американские ученые выпустили дополнение для 2D-случаев — PERDIX, а заодно написали альтернативный софт для сворачивания 3D-фигурок.

Создание ДНК-оригами на примере изображения лотоса

Картинку, на основе которой будет сделана ДНК-оригами, можно нарисовать на компьютере, а потом перевести при необходимости в требуемый формат (самое сложное!) и отдать программе в обработку. На выходе она дает последовательности одноцепочечной ДНК (одну длинную и много коротких), синтез которых можно заказать в лаборатории. При нагревании в буферном растворе они самопроизвольно сложатся в заданную форму и могут сохранять ее в течение месяцев. Можно попросить приложить к результатам атомарную модель получившейся структуры в формате PDB и посмотреть на нее на компьютере. Длинные молекулы синтезировать de novo (то есть не на основе другой ДНК или РНК-матрицы) сложнее коротких, но разработки из недавних статей должны облегчить в ближайшем будущем эту задачу.

Как показано на видео, каждая линия рисунка состоит из двух двуспиральных участков ДНК. Алгоритм допускает и расположение по шесть двойных спиралей в одном ребре; создавать с их помощью объемные фигуры можно в адаптированной под 3D-моделирование программе TALOS тех же авторов. В целом концепции работы обеих программ аналогичны.


Лотосы из ДНК-оригами

Лотосы из ДНК-оригами

Моделирование ДНК-оригами с помощью программы PERDIX на примере цветка лотоса. А — при желании в программу можно загрузить заполненную внутри картинку, а можно только внешний контур — оптимальный внутренний скелет она дорисует сама. B — после загрузки рисунка программа определяет состав и количество необходимой ДНК. Сперва создается остов (голубой) — одноцепочечная ДНК, охватывающая всю фигуру. На каждую линию рисунка приходится по два участка молекул, но они не слипаются в спираль, а просто расположены рядом. Чтобы они не расползались в разные стороны, их скрепляют между собой ДНК-«скрепками» (оранжевый) — одноцепочечными молекулами длиной в 20–60 нуклеотидов, разные концы которых комплементарны соседним ДНК остова. На круговой карте видно, что концы ДНК-«скрепок» (разноцветные внутренние линии) соединяют между собой совершенно разные участки кольцевой молекулы остова, находящиеся после сборки вблизи. Визуализация результата программой caDNAno, предназначенной для ручного конструирования оригами, показана под круговой картой. C — синтезированные ДНК-последовательности помещаются в пробирку вместе с буфером и недолго нагреваются, это запускает процесс самосборки оригами: ДНК-«скрепки» связываются с разными участками остова по принципу комплементарности, скрепляя их. После обратного снижения температуры двуцепочечная ДНК не будет больше расплетаться, так что все кусочки окажутся прочно «скручены» друг с другом. Рисунок из статьи H. Jun et al., 2019. Autonomously designed free-form 2D DNA origami


Лотосы из ДНК-оригами

Детальное изображение узла. Хорошо видно, как при помощи одной «скрепки» (желтая цепочка) сшивается соединение остова (синий). Рисунок из статьи H. Jun et al., 2019. Autonomously designed free-form 2D DNA origami


Благодаря автоматизация дизайна эта технология станет доступнее для исследовательских групп, а также сможет применяться в самых разных сферах. С помощью такого софта ученые делают из ДНК-оригами и закрепленных на ней светочувствительных красителей материалы, имитирующие светособирающие комплексы фотосинтезирующих организмов. Полученные структуры могут эффективно улавливать свет и использоваться, как и оригинальные светособирающие комплексы, для получения энергии.

Фото из дополнительных материалов к статье H. Jun et al., 2019. Autonomously designed free-form 2D DNA origami. Фотография сделана при помощи атомно-силового микроскопа.

Вера Мухина

* В названии новой программы для 3D-моделирования обыгрывается ее отношение к ее предшественнику — программе DAEDALUS. В древнегреческой мифологии Perdix (он же Талос) — племянник и ученик Дедала (лат. Daedalus). Легенда гласит, что в какой-то момент ученик превзошел своего учителя в мастерстве, и тот захотел его уничтожить, скинув с башни. Боги этому помешали, превратив юношу в куропатку (лат. Perdix). Чтобы получить такую звонкую аббревиатуру, исследователям пришлось поступиться красивой расшифровкой. Дословно название можно перевести как «Запрограммированная эйлерова маршрутизация для ДНК-дизайна с использованием X-образных узлов»).

10 август 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Конусы роста аксонов

На этой микрофотографии видны длинные отростки (аксоны) ганглионарных клеток сетчатки, выращенных из стволовых клеток человека...

Туманность Калебас, или Тухлое яйцо

На фото — протопланетарная туманность вокруг звезды OH 231...

ДНК-кометы

Перед вами — необычные «кометы»: каждая комета — это ДНК отдельной клетки, и чем больше повреждений в этой ДНК, тем больше у кометы хвост...

Фигура слона из одного листа бумаги

Швейцарский умелец Сифо Мабона, на основе оригами создал фигуру слона в натуральную величину из одного листа бумаги размером 15 на 15 метров. Слон, который составляет более 3 метров в высоту,
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Земляне наблюдали частичное лунное затмениеНейрохимическая гипотеза происхождения человекаТемная материя пока никого не убила – и это дает нам информацию о ее природеОгромный астероид едва не столкнулся с ЗемлейМуравей-зомбиРентгеновский телескоп eROSITAПлохие соседи портят кровьКурсы маркетинга: полезные советы!