ДНК оригами - DNA origami

Объект ДНК-оригами из вирусной ДНК, визуализированный с помощью электронной томографии . Карта находится вверху, а атомная модель ДНК - внизу. (Депонировано в EMDB EMD-2210 )

ДНК-оригами - это укладка ДНК в наномасштабе для создания произвольных двух- и трехмерных форм на наноуровне . Специфичность взаимодействий между комплементарными парами оснований делает ДНК полезным строительным материалом благодаря дизайну ее последовательностей оснований. ДНК - это хорошо изученный материал, который подходит для создания каркасов, удерживающих другие молекулы на месте, или для создания самостоятельных структур.

ДНК-оригами было прикрытием журнала Nature 16 марта 2006 года. С тех пор ДНК-оригами вышло за рамки искусства и нашло ряд применений от систем доставки лекарств до использования в качестве схем в плазмонных устройствах; однако большинство коммерческих приложений все еще находятся в стадии разработки или тестирования.

Обзор

Идея использования ДНК в качестве строительного материала была впервые представлена ​​в начале 1980-х Надрианом Симаном . Современный метод ДНК-оригами был разработан Полом Ротемундом из Калифорнийского технологического института . Процесс включает сворачивание длинной одиночной цепи вирусной ДНК (обычно геномной ДНК бактериофага M13 длиной 7 249 п.н. ) с помощью множества более мелких «основных» цепей. Эти более короткие пряди связываются более длинными в различных местах, что приводит к формированию заранее определенной двух- или трехмерной формы. Примеры включают смайлик и грубую карту Китая и Америки, а также множество трехмерных структур, таких как кубы.

Чтобы получить желаемую форму, изображения рисуются с растровой заливкой одной длинной молекулы ДНК . Затем этот дизайн вводится в компьютерную программу, которая рассчитывает размещение отдельных прядей скоб. Каждая скоба связывается с определенной областью матрицы ДНК, и, таким образом, благодаря спариванию оснований Уотсона-Крика необходимые последовательности всех цепей скобки известны и отображаются. ДНК смешивается, затем нагревается и охлаждается. По мере охлаждения ДНК различные скобы придают длинной нити желаемую форму. Конструкции можно непосредственно наблюдать с помощью нескольких методов, включая электронную микроскопию , атомно-силовую микроскопию или флуоресцентную микроскопию, когда ДНК соединяется с флуоресцентными материалами.

Методы самосборки снизу-вверх считаются многообещающими альтернативами, которые предлагают дешевый параллельный синтез наноструктур в относительно мягких условиях.

С момента создания этого метода было разработано программное обеспечение, помогающее процессу с использованием программного обеспечения САПР. Это позволяет исследователям использовать компьютер для определения способа создания правильных скоб, необходимых для формирования определенной формы. Одно из таких программ, называемое caDNAno, представляет собой программное обеспечение с открытым исходным кодом для создания таких структур из ДНК. Использование программного обеспечения не только упростило процесс, но и резко уменьшило количество ошибок, допускаемых при ручных вычислениях.

Приложения

В литературе было предложено множество потенциальных применений, включая иммобилизацию ферментов, системы доставки лекарств и нанотехнологическую самосборку материалов. Хотя ДНК не является естественным выбором для создания активных структур для приложений нанороботов, из-за отсутствия структурной и каталитической универсальности, в нескольких статьях была изучена возможность использования молекулярных ходунков в оригами и переключателей для алгоритмических вычислений. В следующих параграфах перечислены некоторые из заявленных применений, проведенных в лабораториях с клиническим потенциалом.

Исследователи из Института Висса Гарвардского университета сообщили о самосборке и самоуничтожении сосудов для доставки лекарств с использованием ДНК-оригами в лабораторных испытаниях. Созданный ими ДНК-наноробот представляет собой открытую ДНК-трубку с шарниром с одной стороны, который можно закрыть с помощью застежки. Пробирка с ДНК, заполненная лекарством, закрывается аптамером ДНК , сконфигурированным для идентификации и поиска определенного больного родственного белка. Как только нанороботы оригами добираются до инфицированных клеток, аптамеры распадаются и высвобождают лекарство. Первой моделью заболевания, которую использовали исследователи, были лейкемия и лимфома .

Исследователи из Национального центра нанонауки и технологий в Пекине и Университета штата Аризона сообщили о транспортном средстве доставки ДНК-оригами для доксорубицина , известного противоракового препарата. Лекарство было нековалентно прикреплено к наноструктурам ДНК-оригами посредством интеркаляции, и была достигнута высокая лекарственная нагрузка. Комплекс ДНК-доксорубицин поглощался раковыми клетками аденокарциномы молочной железы человека ( MCF-7 ) посредством клеточной интернализации с гораздо большей эффективностью, чем доксорубицин в свободной форме. Повышение активности уничтожения клеток наблюдалось не только в обычных MCF-7 , что более важно, также в резистентных к доксорубицину клетках. Ученые предположили, что ДНК-оригами , содержащая доксорубицин, ингибирует закисление лизосом , что приводит к перераспределению препарата в клетках по участкам действия, что увеличивает цитотоксичность по отношению к опухолевым клеткам.

В исследовании , проведенном группой ученых из центра Inano и кДНК Центра в Орхусе университета , исследователи смогли построить небольшой мульти-переключаемый 3D ДНК Box Оригами. Предложенная наночастица была охарактеризована методами AFM , TEM и FRET . Было показано, что сконструированный ящик имеет уникальный механизм повторного включения, который позволяет ему многократно открываться и закрываться в ответ на уникальный набор ключей ДНК или РНК. Авторы предположили, что это «устройство ДНК потенциально может быть использовано для широкого круга приложений, таких как управление функцией отдельных молекул, контролируемая доставка лекарств и молекулярные вычисления».

Нанороботы, сделанные из ДНК-оригами, продемонстрировали вычислительные возможности и выполнили заранее запрограммированную задачу внутри живого организма, о чем сообщила группа биоинженеров из Института Висс Гарвардского университета и Института нанотехнологий и передовых материалов Университета Бар-Илан . В качестве доказательства концепции команда ввела в живых тараканов различные виды наноботов (скрученная ДНК, содержащая молекулы с флуоресцентными маркерами). Отслеживая маркеры внутри тараканов, команда обнаружила точность доставки молекул (высвобождаемых развернутой ДНК) в клетки-мишени, взаимодействия между нанороботами и контролем эквивалентны компьютерной системе. Сложность логических операций, решений и действий возрастает с увеличением количества наноботов. Команда подсчитала, что вычислительную мощность таракана можно увеличить до 8-битного компьютера.

ДНК свернута в октаэдр и покрыта одним двойным слоем фосфолипида , имитирующим оболочку вирусной частицы. Наночастицы ДНК, каждая размером примерно с вирион, могут оставаться в циркуляции в течение нескольких часов после инъекции мышам. Он также вызывает гораздо более низкий иммунный ответ, чем частицы без покрытия. Исследователи из Института Висса Гарвардского университета сообщают, что он представляет собой потенциальное использование для доставки лекарств.

Подобные подходы

Возникла и идея использования дизайна белков для достижения тех же целей, что и ДНК-оригами. Исследователи из Национального института химии в Словении работают над использованием рациональной конструкции из сворачивания белков для создания структур много , как те видели оригами ДНК. Основное внимание в текущих исследованиях в области дизайна сворачивания белков уделяется области доставки лекарств, в которой используются антитела, прикрепленные к белкам, как способ создания целевого носителя.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение