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. [2] ДНК - это хорошо изученный материал, который подходит для создания каркасов, которые удерживают другие молекулы на месте, или для создания самостоятельных структур.
ДНК-оригами было прикрытием журнала Nature 16 марта 2006 года. [3] 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; тем не менее, большинство коммерческих приложений все еще находятся в стадии разработки или тестирования. [4]
Обзор
Идея использования ДНК в качестве строительного материала была впервые представлена в начале 1980-х Надрианом Симаном . [5] Современный метод ДНК-оригами был разработан Полом Ротемундом из Калифорнийского технологического института . [6] 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. [7] Примеры включают смайлик и грубую карту Китая и Америки, а также множество трехмерных структур, таких как кубы. [8]
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. [6]
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. [9] [5]
Приложения
В литературе было предложено множество потенциальных приложений, 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 на оригами и переключателей для алгоритмических вычислений. [8] [10] 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 . [11]
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, нагруженная доксорубицином, ингибирует закисление лизосом , что приводит к перераспределению препарата в клетках по участкам действия, что увеличивает цитотоксичность в отношении опухолевых клеток. [12] [13]
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». [14]
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. [15] [16]
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. [17] [18]
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, используя антитела, прикрепленные к белкам, как способ создания целевого носителя. [19] [20]
Смотрите также
- РНК оригами
- ДНК-нанотехнологии
- Молекулярная самосборка
- Складной @ дома
Рекомендации
- ^ Бай, Сяо-чен; Мартин, Томас Дж .; Scheres, Sjors HW ; Диц, Хендрик (2012-12-04). «Крио-ЭМ структура трехмерного объекта ДНК-оригами» . Труды Национальной академии наук . 109 (49): 20012–20017. DOI : 10.1073 / pnas.1215713109 . ISSN 0027-8424 . PMC 3523823 . PMID 23169645 .
- ^ Задеган, РМ; Нортон, ML (2012). «Структурная нанотехнология ДНК: от дизайна к применению» . Int. J. Mol. Sci . 13 (6): 7149–7162. DOI : 10.3390 / ijms13067149 . PMC 3397516 . PMID 22837684 .
- ↑ Nature, Volume 440 (7082), 16 марта 2006 г.
- ^ Сандерсон, Кэтрин (2010). «Биоинженерия: что делать с ДНК-оригами» . Природа . 464 (7286): 158–159. DOI : 10.1038 / 464158a . PMID 20220817 .
- ^ а б Симан, Надриан К. (1982-11-21). «Узлы и решетки нуклеиновых кислот». Журнал теоретической биологии . 99 (2): 237–247. DOI : 10.1016 / 0022-5193 (82) 90002-9 . PMID 6188926 .
- ^ а б Ротемунд, Пол В.К. (2006). «Складывание ДНК для создания наноразмерных форм и узоров» (PDF) . Природа . 440 (7082): 297–302. Bibcode : 2006Natur.440..297R . DOI : 10,1038 / природа04586 . ISSN 0028-0836 . PMID 16541064 .
- ^ Дуглас, Шон М .; Диц, Хендрик; Лидл, Тим; Хёгберг, Бьёрн; Граф, Франциска; Ши, Уильям М. (май 2009 г.). «Самосборка ДНК в наноразмерные трехмерные формы» . Природа . 459 (7245): 414–418. Bibcode : 2009Natur.459..414D . DOI : 10,1038 / природа08016 . ISSN 0028-0836 . PMC 2688462 . PMID 19458720 .
- ^ а б Линь, Чэньсян; Лю, Ян; Ринкер, Шерри; Ян, Хао (2006). «Самосборка на основе ДНК-плитки: построение сложных наноархитектур». ХимФисХим . 7 (8): 1641–7. DOI : 10.1002 / cphc.200600260 . PMID 16832805 .
- ^ Дуглас, Шон М .; Marblestone, Adam H .; Тирапиттайанон, Сурат; Васкес, Алехандро; Церковь, Джордж М .; Ши, Уильям М. (1 августа 2009 г.). «Быстрое прототипирование трехмерных форм ДНК-оригами с помощью caDNAno» . Исследования нуклеиновых кислот . 37 (15): 5001–5006. DOI : 10.1093 / NAR / gkp436 . ISSN 0305-1048 . PMC 2731887 . PMID 19531737 .
- ↑ ДНК «самоорганизуется» на кремнии , BBC News , 17 августа 2009 г.
- ^ Гард, Дамиан (15 мая 2012 г.). «ДНК-оригами может позволить« автономную »доставку» . fiercedrugdelivery.com . Проверено 25 мая 2012 года .
- ^ «Сложенная ДНК становится троянским конем для борьбы с раком» . Новый ученый. 18 августа 2012 . Проверено 22 августа 2012 года .
- ^ Цзян, Цяо; Сонг, Чен; Нангрив, Жанетт; Лю, Сяовэй; Линь, Линь; Цю, Дэнгли; Ван, Чжэнь-Ган; Цзоу, Гочжан; Лян, Синцзе; Ян, Хао; Дин, Баоцюань (2012). «ДНК-оригами как средство обхода лекарственной устойчивости». Журнал Американского химического общества . 134 (32): 13396–13403. DOI : 10.1021 / ja304263n . PMID 22803823 .
- ^ М. Задеган, Реза; и другие. (2012). «Конструирование переключаемого 3D-блока ДНК оригами из 4 зептолитров». САУ Нано . 6 (11): 10050–10053. DOI : 10.1021 / nn303767b . PMID 23030709 .
- ^ Спикернелл, Сара (8 апреля 2014 г.). «ДНК-нанороботы доставляют лекарства в живых тараканов» . Новый ученый . 222 (2964): 11. Bibcode : 2014NewSc.222 ... 11S . DOI : 10.1016 / S0262-4079 (14) 60709-0 . Проверено 9 июня 2014 .
- ^ Амир, Y; Бен-Ишай, Э; Левнер, Д; Иттах, S; Абу-Горовиц, А; Бачелет, I (2014). «Универсальные вычисления с помощью роботов ДНК-оригами в живом животном» . Природа Нанотехнологии . 9 (5): 353–357. Bibcode : 2014NatNa ... 9..353A . DOI : 10.1038 / nnano.2014.58 . PMC 4012984 . PMID 24705510 .
- ^ Гибни, Майкл (23 апреля 2014 г.). «Наноклетки ДНК, которые действуют как вирусы, обходят иммунную систему для доставки лекарств» . fiercedrugdelivery.com . Проверено 19 июня 2014 года .
- ^ Перро, S; Ши, В. (2014). «Вдохновленная вирусами мембранная инкапсуляция наноструктур ДНК для достижения стабильности in vivo » . САУ Нано . 8 (5): 5132–5140. DOI : 10.1021 / nn5011914 . PMC 4046785 . PMID 24694301 .
- ^ Пеплоу, Марк (28 апреля 2013 г.). «Белок вмешивается в процесс оригами ДНК» . Природа . DOI : 10.1038 / nature.2013.12882 .
- ^ Задеган, Реза М .; Нортон, Майкл Л. (июнь 2012 г.). «Структурная нанотехнология ДНК: от дизайна к применению» . Int. J. Mol. Sci . 13 (6): 7149–7162. DOI : 10.3390 / ijms13067149 . PMC 3397516 . PMID 22837684 .
дальнейшее чтение
- Кубе, Массимо; Колер, Фабиан; Фейгл, Элия; Нагель-Юксель, Баки; Виллнер, Елена М .; Funke, Jonas J .; Герлинг, Томас; Штеммер, Пьер; Honemann, Maximilian N .; Мартин, Томас Дж .; Scheres, Sjors HW; Диц, Хендрик (декабрь 2020 г.). «Выявление структур мегадальтонных комплексов ДНК с нуклеотидным разрешением» . Nature Communications . 11 (1): 6229. DOI : 10.1038 / s41467-020-20020-7 .