Ларчик с ключиком: Шкатулка из ДНК
С техникой «ДНК-оригами» экспериментирует множество исследовательских групп по всему миру, конструируя самые разные фигуры. И это не пустая забава: уникальные свойства молекулы ДНК, а именно — возможность комплиментарного взаимодействия между ее частями по принципу «ключ-замок», которую используют живые организмы для хранения и передачи своего генетического кода, откроют самые невероятные перспективы, в том числе — создания принципиально новых компьютеров.
Однако достижение датских экспериментаторов во главе с Йоргеном Кемсом (Jorgen Kjems) отличается от аналогичных работ важной деталью: их «коробочка» сочетает неподвижные и подвижные части, причем положение подвижной «крышечки» можно точно контролировать.
Действительно, ДНК представляет собой едва ли не идеальный материал для конструирования таких микроскопических объектов. Получить ее цепочки несложно, и в довольно значительных количествах, и с заранее определенной последовательностью элементов, определяющих и свойства молекулы. Так поступили и датчане, заранее просчитав, какие именно нуклеотиды (отдельные звенья цепи ДНК) потребуются для формирования стенок «шкатулки», и какие из них понадобятся для того, чтобы скрепить их в цельную конструкцию.
В результате отдельные нити самопроизвольно собирались в «гармошки» почти строго квадратной формы, на основе комплиментарного взаимодействия нуклеотидов. За счет тех же взаимодействий их соединяли и «скрепки», стянувшие их в единые полые коробочки кубической формы.
«Крышки» этих коробочек при нормальных условиях остаются закрытыми, однако при добавлении в среду определенных небольших фрагментов ДНК составлявшие крышки нуклеотиды связывались с ними, и крышки распахивались, как будто их открыл молекулярный ключ. Ученые продемонстрировали это самым наглядным образом: к крышке и прилегающей стенке были прикреплены молекулы красителей, которые флуоресцировали красным, когда находились в непосредственной близости друг от друга, и зеленым, когда расходились подальше.
«Для подобных работ, — поясняет специалист по ДНК-оригами Пол Ротмунд (Paul Rothemund), — бывает намного сложней не собрать структуру из ДНК, а показать, что она собрана именно нужным образом». Здесь исследователям удалось проделать это просто замечательно. Теперь они намерены использовать свои «ларцы» для каких-нибудь полезных задач.
К примеру, они подойдут для доставки лекарств: коробочки можно научить реагировать на присутствие определенной последовательности ДНК, характерной для определенного вируса, или раковой клетки, и открываться в нужном месте, высвобождая заключенное в них лекарство. Важное их достоинство — возможность «программировать» условия, при которых это произойдет.
Это уже полноценный наноразмерный контейнер, который, в принципе, можно будет использовать для самых разных целей — например, для точечной доставки лекарств в нужную часть организма, или для создания элементов тех же «ДНК-компьютеров».
Но прежде ученым предстоит научиться помещать лекарство (или что-нибудь другое) внутрь этих наноразмерных структур. Сами по себе коробочки достаточно объемны, чтобы разместить не только молекулы лекарства, но и рибосому или небольшую вирусную частицу, однако никто еще на практике не пробовал этого сделать. Тем более и подвижность крышки пока что подтверждена лишь в пробирке, и никто не может точно сказать, как такая структура поведет себя в условиях настоящего живого организма, и с какими побочными эффектами это может быть связано.
Впрочем, для того, чтобы такие коробочки нашли себе какое-нибудь полезное применение, даже необязательно чем-нибудь их заполнять. Так, способность «по команде» открываться и закрываться делает их отличными кандидатами на роль логических элементов для принципиально новых ДНК-компьютеров — о подобной работе мы рассказывали в заметке «Молекулярные крестики, молекулярные нолики».
По сообщению MIT Technology Review
