211service.com
Lockbox postavený z DNA
S použitím ničeho jiného než DNA zkonstruovali vědci v Dánsku malou krabičku s víkem, které lze buď zamknout, nebo – pomocí sady klíčů DNA – otevřít pantem. Zatímco jiné skupiny experimentovaly s použitím DNA origami ke stavbě trojrozměrných objektů, nová krabice, popsaná ve vydání z tohoto týdne Příroda , se vyznačuje pevnými stranami a pohyblivými částmi.
Kostkový cukr deoxyribóza: Protože se komplementární oblasti DNA rády párují, vědci byli schopni navrhnout dlouhý řetězec DNA, který by se v kombinaci s mnoha drobnými sponkami DNA automaticky sestavil do krabice nano velikosti. Tato technika je známá jako DNA origami. Zde byly krabice zobrazeny pomocí kryo-elektronové tomografie, aby se potvrdila jejich krychlová struktura a dutý vnitřek.
Je to docela krásná molekulární struktura, říká John Reif , významný profesor informatiky na Duke University, který se na výzkumu nepodílel. Je to poprvé, co taková nanostruktura měla programovatelné a ovladatelné víko.
Box zatím slouží jako principiální důkaz toho, že DNA origami lze upravit tak, aby vytvořily propracované trojrozměrné struktury, říká Jørgen Kjems , molekulární biolog z Aarhuského univerzitního centra pro nanotechnologii DNA, který výzkum vedl. V budoucnu však věří, že nano-velikost kontejneru by mohla být přizpůsobena pro širokou škálu aplikací, od vozidla pro dodávání léků až po logické hradlo.
DNA je ideálním stavebním materiálem pro nanostruktury. Je snadné chrlit hromadně: Kjems a jeho tým unesli virus, aby vyrobili kopie sekvence, kterou navrhli. A skládá se přímočarými, předvídatelnými způsoby podle své sekvence. Pro návrh krabice vyvinul tým Aarhus počítačový program pro generování kontinuální jednovláknové sekvence DNA, která by se spolu s menšími fragmenty DNA, které fungují jako svorky, sama sestavila do požadovaného tvaru.
Sekvence byla navržena s mnoha komplementárními oblastmi, aby se automaticky složila do šesti zhruba čtvercových listů podobných akordeonu – stran krabice – na základě přirozené tendence DNA párovat se do dvou vláken. Svorky DNA, také poháněné párováním komplementárních sekvencí, spojily okraje listů dohromady a vytvořily dutou krychli s odklápěcím víčkem.
Aby bylo víko uzamykatelné, Kjems a jeho kolegové vyrobili dvě malé DNA západky s lepivými konci. Za normálních okolností se západky přichytí ke krabici a drží ji zavřenou. Ale když jsou přidány dva odpovídající klíče DNA, západky se navážou na ty, což umožní otevření víka. Dvojice molekul barviva, jedna je připevněna k okraji krabice a druhá k jejímu víku, svítí červeně, když jsou blízko u sebe, a zeleně, když jsou daleko od sebe, což poskytuje snadný způsob, jak zjistit, zda je krabice zavřená nebo otevřená.
Myslet mimo krabici: Nano boxy, zde vymodelované v šedé barvě, by mohly jednoho dne převážet drogy do konkrétních destinací v těle nebo sloužit jako logické brány v počítači založeném na DNA. Víko každé krabice je normálně zajištěno dvěma páry komplementárních fragmentů DNA (modré a oranžové). Ale když jsou do směsi přidány odpovídající DNA klíče (také modré a oranžové), překáží západkám a umožňují otevření víka. Fluorescenční značkovače svítí červeně, když je krabice zavřená, a zeleně, když je otevřená.
U trojrozměrných struktur, jako je tato, není skutečnou výzvou navrhnout objekt, ale dokázat, že se úspěšně vytvořil, říká Paul Rothemund , počítačový vědec z Kalifornského technologického institutu, který vyvinul jednoduchou techniku tvorby struktur DNA. Vědci použili několik různých zobrazovacích metod, aby zajistili, že se krabice sestaví samy podle plánu. Odvedli velmi přesvědčivou práci, když ukázali, že vyrobili to, co si mysleli, že vyrobili, což je opravdu důležité, říká Rothemund. A teď to mohou zkusit a rozpracovat a přimět to, aby skutečně něco udělalo.
Kjems má několik nápadů, co by krabice mohly dělat. Jednou z možností je naplnit je léky a naprogramovat víčka tak, aby se otevřela v reakci na nějaký biologický podnět uvnitř těla – například přítomnost viru nebo rakovinového genu – a tím uvolnit jejich terapeutický náklad.
Existuje způsob, jakým jsou zajímavější než téměř jakékoli jiné schéma nanozapouzdření, které si pro tento účel můžete představit, protože mají tato nekonečně programovatelná víčka, říká Rothemund. To je něco, co žádný jiný druh nano-lékové kapsle nemůže nabídnout.
Terapeutické využití je však ještě daleko. I když jsou krabice teoreticky dostatečně pevné, aby zabránily úniku velkých molekul, a dostatečně prostorné, aby uzavřely ribozom nebo malý virus, výzkumníci se ještě nepokusili do nich nic vložit. A zatím krabičky fungují pouze uvnitř zkumavky. Na rozdíl od některých jiných nano-doručovacích vozidel zatím neexistují žádné důkazy o bezpečnosti nebo účinnosti zařízení na bázi DNA v živých systémech.
Ale skříňky nemusí nést užitečné zatížení, aby byly užitečné. Kjems také počítá s jejich přeměnou na elektronické součástky. Protože mají dva odlišné klíče, krabičky fungují jako brány AND, otevírají se (a svítí zeleně) pouze tehdy, jsou-li přítomny oba klíče. S několika jednoduchými vylepšeními by mohly sloužit jako brány NE nebo brány OR. V principu, říká Kjems, byste mohli pomocí těchto krabic postavit DNA počítač.