Nanotechnolodzy z Wyss Institute przy Harvard University w Stanach Zjednoczonych zademonstrowali zestaw samoskładających się klatek z DNA. Zbudowane przez nich struktury są jednymi z największych i najbardziej złożonych szkieletów wytworzonych kiedykolwiek przez człowieka wyłącznie z kwasu deoksyrybonukleinowego. Rozmiary wielościennych klatek posiadających dodatkowo rozpórki stabilizujące odpowiadają średnio 1/10 wielkości przeciętnej bakterii. W przyszłości twory mogą posłużyć jako nośniki do transportu leków, małe bioreaktory, czujniki fotoniczne lub markery do diagnozowania chorób.
DNA (z ang. deoxyribonucleic acid) to wielkocząsteczkowy, organiczny związek chemiczny należący do kwasów nukleinowych. Pełni rolę nośnika informacji genetycznej i związany jest z procesami dziedziczenia wszystkich znanych żyjących organizmów i wielu wirusów. Z materiałowego punktu widzenia DNA jest liniowym, nierozgałęzionym biopolimerem, którego monomerami są deoksyrybonukleotydy. W składzie pojedynczego deoksyrybonukletydu znajdują się adenina lub guanina (zasady purynowe), cytozyna lub tymina (zasady pirymidowe), deoksyryboza (pentoza) oraz reszta fosforanowa. DNA ma postać postać prawoskrętnej, podwójnej helisy (inaczej heliksu).
Naukowcy rozwijający nanotechnologię od wielu lat badają DNA i przedstawiają nowe sposoby wykorzystania nici do budowy maleńkich struktur. Odpowiednie uporządkowanie składowych monomerów umożliwia powstawanie programowalnych kształtów. Do tej pory większość badaczy stosowało technikę zwaną DNA origami, która polega na składaniu fragmentów kwasów nukleinowych poprzez parowanie komplementarnych zasad. Przyjmując, że zasady azotowe układane będą zgodnie z zasadą Chargaffa (tzn. w DNA jest zawsze ta sama ilość tyminy co adeniny i ta sama ilość cytozyny co guaniny) oraz gwarantując odpowiednie przygotowanie materiału startowego otrzymywano dwu- i trójwymiarowe nanostruktury na drodze samoorganizacji. Metoda ta pozwalała tworzyć zamknięte i stosunkowo wypełnione struktury. Jednak do niektórych zastosowań badacze potrzebują większych i otwartych szkieletów. Tym zajęła się grupa z Wyss Institute, której wyniki ostatnich eksperymentów zostały opublikowane w internetowym wydaniu czasopisma Science.
Inżynierowie przygotowali segmenty DNA w kształcie trójnogów (podobnych do typowego statywu dla aparatu fotograficznego). Produkcja większych “statywów” i próby ich organizacji do postaci wielościanów nastręczały sporych problemów konstrukcyjnych. Nogi miały duży kąt nachylenia, a całość była zbyt niestabilna. Badacze ominęli przeszkodę dokładając poziome, rozpórki stabilizacyjne, podobnie jak usztywnia się drewniane nogi krzeseł. Precyzyjna kontrola kątów i długości ramion pozwalała na hierarchiczny montaż różnego rodzaju wielościanów. Wszystkie koncówki trójnogów zaopatrzone były w stosowne fragmenty kwasów nukleinowych. Naukowcy znając zależności między zasadami umożliwili samoorganizację i parowanie właściwych nici DNA. Zespół stworzył w sumie pięć szkieletów wielościanów: czworościan, sześcian, pryzmat trójkątny, pentagonalny oraz heksagonalny, przy średniej długości krawędzi około 100 nanometrów [5].
Po zakończeniu budowy, naukowcy za pomocą metody DNA-PAINT sprawdzali jakość powstałych klatek. Technika mikroskopii o wysokiej rozdzielczości wykorzystuje krótkie, zmodyfikowane nici DNA o właściwościach fluorescencyjnych. Zostały one uprzednio ulokowane na narożach trójnogów, co bezpośrednio wpłynęło na ułatwienie detekcji wierzchołków szkieletów. Migające fragmenty ujawniały kształt struktur, zbyt małych do obserwacji pod konwencjonalnym mikroskopem optycznym w ich naturalnym, wodnym środowisku.
Badacze maja nadzieję, że już niedługo do klatek z DNA będzie można dołączać dodatkową zawartość. Planują modyfikację szkieletów za pomocą “chemicznych haków” czyli związków pozwalających na doczepianie innych składniki (np. białek lub nanocząsteczek złota).
Źródło:
[1] Ryosuke Iinuma, Yonggang Ke, Ralf Jungmann, Thomas Schlichthaerle, Johannes B. Woehrstein, and Peng Yin. Polyhedra Self-Assembled from DNA Tripods and Characterized with 3D DNA-PAINT. Science, March 2014 DOI: 10.1126/science.1250944
[2] http://dx.doi.org/10.1126/science.1250944 [19.03.2014]
[3] http://wyss.harvard.edu/viewpressrelease/148/ [19.03.2014]
[4] http://www.sciencemag.org/content/suppl/2014/03/12/science.1250944.DC1/Iinuma-SM.pdf [19.03.2014]
[5] Zdjęcie DNA Polyhedra © dzięki uprzejmości Harvard’s Wyss Institute
[6] Digital by Steve Jurvetson (jurvetson), flickr.com, CC BY 2.0