Недавно в околонаучных новостных лентах появилось сообщение о том, что ученые собрали "наногоршок" из нитей ДНК. Это не первая новость о выполненных из ДНК хитрых структурах, которые не встречаются в природе, а искусственно создаются людьми. Технология производства таких структур получила название ДНК-оригами. Что это за методика, какое отношение она имеет к японскому искусству создания фигур из бумаги и почему вообще ученые решили использовать "молекулы жизни" таким странным образом?
ДНК-оригами - очень молодая техника. В том виде, в котором она существует сейчас, ее придумал американский исследователь Пол Ротмунд (Paul Rothemund) в 2006 году. Статья с описанием необычной методики складывания из ДНК хитроумных структур вышла в одном из самых авторитетных научных журналов - в Nature. На идею использовать ДНК в качестве "наностроительного" материала Ротмунда натолкнуло одно характерное свойство нитей дезоксирибонуклеиновой кислоты, благодаря которому эта молекула стала носителем генетической информации у всех живых существ, населяющих планету Земля (исключением из этого правила являются вирусы, но многие исследователи не согласны, что их можно отнести к живым существам).
Это свойство ДНК получило название комплементарности. Оно проявляется в том, что цепи ДНК определенной последовательности способны прочно соединяться друг с другом, а цепи, составленные из иного сочетания элементарных "кирпичиков", практически не взаимодействуют между собой. Благодаря свойству комплементарности наследственная информация хранится в клетках живых организмов сразу в двух копиях - две нити ДНК, одна из которых несет собственно генетические данные, а вторая является как бы ее "зеркальным отображением", соединяются в ту самую знаменитую двойную спираль, которая намного более устойчива чем каждая из нитей по отдельности. (На самом деле в природе каждая из нитей является носителем генетической информации, просто считывание данных в некоторых случаях идет с одной нити, а в некоторых - с другой.)
Каждая "буква" на одной из цепей может образовывать прочную связь с комплементарной ей буквой другой цепи. Двойные спирали ДНК держатся на дуплетах А-Т и Г-Ц - именно так попарно взаимодействуют между собой нуклеотиды. Причем соединение Г-Ц заметно прочнее соединения А-Т. Если искусственно синтезировать нить ДНК с последовательностью АААААА и поместить ее в среду, где присутствуют другие нити ДНК различных последовательностей, то она будет преимущественно соединяться с нитями ТТТТТТ, а не, например, ААЦЦГГ или ГГГТТА.
Нити ДНК представляют собой код, а не просто случайный набор "кирпичиков", соединившихся в длинные последовательности. Код ДНК, или генетический код, состоит из четырех символов, которые обозначаются буквами А, Т, Г и Ц (по химической структуре буквы представляют собой нуклеотиды). Определенные сочетание трех символов кодируют одну аминокислоту - элементарную единицу белка, который считывается с того или иного гена. Соответственно, последовательность символов в нитях ДНК не случайна - она строго соответствует последовательности аминокислот в кодируемом белке.
Ротмунд сообразил, что, используя свойство комплементарности, можно "заставить" ДНК сворачиваться в самые разнообразные структуры, в том числе и правильные геометрические фигуры. Просто для того чтобы добиться желаемого результата, необходимо использовать не случайные нити ДНК, взятые из геномов живых существ, а ДНК со строго просчитанной последовательностью - такой, чтобы при соединении комплементарных участков исходная цепь изгибалась на нужный угол.
В разработанной Ротмундом технологии длинные нити ДНК искривлялись при взаимодействии не друг с другом, а с более короткими отрезками ДНК, комплементарными к тем или иным участкам длинных цепей. Сборка нужных фигур происходит так: длинные и короткие цепи ДНК смешиваются, и смесь нагревается до температуры, при которой расплетаются все случайно образовавшиеся двуцепочечные участки. После этого короткие фрагменты ДНК, которых в смеси присутствуют в избытке, соединяются с намеченными для них участками длинных цепей, заставляя последние изгибаться так, как запланировал исследователь.
Создание разнообразных фигур с использованием техники ДНК-оригами не требует много времени - как пишет сам Ротмунд, на расчет последовательностей фрагментов ДНК для создания той или иной структуры уходит, в среднем, неделя (правда, предварительно ученый потратил три месяца на написание соответствующей компьютерной программы). Еще неделя требуется для того, чтобы биотехнологические компании, которых на рынке очень много, синтезировали требуемые отрезки ДНК. Собственно сборка структур занимает несколько часов. Основную сложность представляет не создание ДНК-конструкций, а их визуализация - рассмотреть произведения ДНК-оригами можно только при помощи мощного атомно-силового микроскопа.
Чтобы продемонстрировать возможности придуманной им технологии, для своей статьи 2006 года Ротмунд насинтезировал множество различных фигур - от квадратов и треугольников до улыбающихся рожиц, текстов и сложных цветочных узоров. Позже ученый сложил из ДНК-оригами карты обеих Америк и Китая (разумеется, наноразмеров).
Первое время последователи Ротмунда также создавали только двумерные структуры, но вскоре ученые освоили технологию производства 3D-объектов из ДНК. В качестве примера можно привести упоминавшиеся в начале статьи наногоршки, наношестеренки и наномячи или созданные в 2009 году кубические коробочки размером 42х36х36 нанометров, которые закрывались откидной крышкой, запирающейся на ДНК-ключ. Исследователи даже создали из ДНК ленту Мебиуса - двумерную поверхность, имеющую только одну сторону и одну границу.
У читателя может возникнуть вопрос, а зачем, собственно, нужны все эти крошечные ДНК-фигуры. Самый очевидный ответ - в трехмерные ДНК-контейнеры можно запаковывать лекарства и доставлять их непосредственно к больным органам и тканям. Есть применение и для 2D-структур, причем не исключено, что даже более перспективное. Из двумерных ДНК-конструкций можно создавать каркасы для последующей сборки на них каких-нибудь сложных агрегатов, например, компьютерных чипов или биохимических фабрик – на нитях ДНК можно, например, закреплять ферменты, работающие на таких фабриках, в нужном ученым порядке. Описания всех этих чудесных возможностей пока неполны без слова "теоретически", однако маловероятно, чтобы в мире, где самой популярной приставкой становится приставка "нано", ДНК-оригами долго оставались невостребованными.