молекулы днк

Рис 1. Принцип создания ДНК-оригами. Длинная одноцепочечная ДНК формирует наноструктуру, изгибаясь в заданную форму за счет связывания с короткими ДНК-скрепками. Источник: [2], [3], с изм.

ДНК может быть не только носителем генетической информации, но и материалом для оригами. Это становится возможным благодаря ее прочности, хорошо изученной структуре и совместимости с живыми системами. Последний аспект особенно важен, поскольку позволяет конструкциям из ДНК работать в живых клетках.

В природе две цепи ДНК соединяются по принципу комплементарности, образуя устойчивую двойную спираль: аденин (А) в одной цепи связывается с тимином (Т) в другой, а гуанин (Г) — с цитозином (Ц). Однако учёные могут искусственно создавать молекулы ДНК с заданной последовательностью, где комплементарные участки расположены не только в противоположных цепях по всей их длине, но и в отдельных участках одной цепи или между короткими фрагментами разных цепей. Это позволяет связывать определенные участки молекулы, придавая ей желаемую форму.

Как же сворачивают ДНК-оригами? Чтобы создать плоскую фигурку, ученые используют одну длинную одноцепочечную молекулу ДНК и множество коротких молекул, или «скрепок», которые по принципу комплементарности связываются с определёнными участками длинной цепи (Рис. 1). Когда короткие «скрепки» соединяются с длинной цепью, они «стягивают» её части, заставляя молекулу сворачиваться в заданную форму. Полученные фигурки можно рассмотреть только с помощью атомно-силового или электронного микроскопа — ведь их размер не превышает 100 нм.

Рис 2. Двухмерные фигруки из ДНК, которые получил в 2006 г. Пол Ротемунд. Источник: [4], [5]

Впервые фигурки из ДНК с заданной формой получил Пол Ротемунд в 2006 году, он же дал технологии название «ДНК-оригами» (Рис. 2). Статью ученого опубликовали в Nature, а изображение ДНК-оригами попало на обложку журнала и произвело настоящий фурор.

После этого инициативу переняли и другие ученые, и постепенно конструкции из ДНК становились все крупнее и сложнее. Какие только миниатюрные фигурки не создавали из ДНК: снежинки и фигурки животных, цифры и даже микроскопический портрет Моны Лизы и самый маленький в мире набор для игры в крестики-нолики! (Рис. 3)

Рис 3. Плоские и объемные фигурки из ДНК. Источник: [3], [6], [7], [8].

Рис 4. «Снежинки» из ДНК: плоские фигурки с элементами объема. Источник: [9].

С развитием технологий ученые смогли создавать на плоской фигуре из ДНК объёмные узоры, как, например, на этих снежинках (Рис. 4). Для этого в заранее заданных местах плоского «ДНК-полотна» формируются выступающие ДНК-шпильки. Такой узор напоминает вязку узелком, а его точность настолько велика, что находится на пределе разрешения современных микроскопов.

Сворачивая «полотно» из ДНК в трёхмерном пространстве, можно получать 3D-структуры. Например, так ученые создали ДНК-«коробочку» с крышкой на молекулярном «замочке» (Рис. 5), которая напоминает упаковку для новогодних подарков! В перспективе подобную конструкцию можно использовать для точной доставки лекарств к клеткам, где она будет открываться с помощью молекулярного «ключа», высвобождая лекарство. А для получения более сложных объемных фигур используют другие техники: например, сборку из многогранников, как в случае миниатюрного зайчика на Рис. 3E, или конструирование из блоков по принципу LEGO (Рис. 3F).

Кроме того, из ДНК можно создавать и более крупные структуры — например, настоящие картины, которые по размеру сопоставимы с бактерией. Так, учёные Калифорнийского технологического института создали портрет Моны Лизы, используя метод поэтапной сборки, аналогичный сборке пазла (Рис. 3А). Сначала из маленьких частей формируются более крупные фрагменты изображения, которые затем соединяются в целую картину.

Рис 5. ДНК-«коробочка» с крышкой на молекулярном «замочке». Источник: [4].

Поэтапная сборка изображения Моны Лизы из ДНК продемонстрирована с помощью деревянных кусочков головоломки. Источник: [10].

Рис 6. На этой иллюстрации три «руки» NanoGripper обхватывают вирус COVID-19.
Автор изображения: Xing Wang. Источник: [11].

Очаровательные миниатюрные фигурки из ДНК не только радуют глаз как произведения art&science, но и помогают изучать механические свойства ДНК. Кроме того, они стали основой для разработки наномашин и нанороботов, построенных из ДНК. Эти нанороботы обладают уникальной способностью точно перемещать биомолекулы в пространстве и выполнять с ними разнообразные манипуляции. Нанороботы обладают огромным потенциалом для программируемой доставки лекарств и вакцин в клетки-мишени, диагностики заболеваний, а также химического синтеза.

Например, в 2009 году Нэд Симан с коллегами создали наноробота из ДНК с двумя «ногами», с помощью которых тот мог «ходить» по подложке, тоже сделанной из ДНК, и захватывать и перемещать золотые наночастицы. А в ноябре 2024 года учёные Иллинойсского университета создали наноробота из ДНК, напоминающего четырёхпалую руку, который получил название NanoGripper (Рис. 6). Этот робот способен захватывать вирус, сжимая свои «пальцы» вокруг него, тем самым блокируя его проникновение в клетку. В ходе экспериментов на вирусе COVID-19 NanoGripper успешно обнаруживал и захватывал вирус. Учёные считают, что NanoGripper обладает широким потенциалом для борьбы с различными вирусами, а также может быть использован для диагностики вирусных заболеваний и целевой доставки лекарств в клетки.

Хотя до внедрения ДНК-нанороботов в медицину еще далеко, они могут стать настоящим прорывом в будущем. Возможно, эти нанороботы смогут уничтожать раковые клетки в кровотоке без необходимости хирургического вмешательства, собирать токсичные отходы в океане и стать основой для «совершенно нового поколения лекарств», как отмечает профессор Курт Готхельф, химик и эксперт в области ДНК-нанотехнологий из Орхусского университета в Дании.

Так, в удивительном наномире ДНК-оригами наука переплетается с искусством, а молекулярная основа жизни — с инновационными технологиями. Здесь ДНК становится не только хранителем генетической информации, но и универсальным материалом, из которого учёные создают с поразительной точностью изящные новогодние фигурки, миниатюрные коробочки, наномашины и роботов. Эти молекулярные шедевры не только открывают новые тайны ДНК, но и прокладывают путь к технологиям, способным изменить наше будущее.