Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Дизайн нуклеиновой кислоты может быть использован для создания комплексов нуклеиновых кислот со сложными вторичными структурами, такими как это четырехлепестковое соединение. Эти четыре нити связать в эту структуру , поскольку она увеличивает количество правильных пар оснований , с «ы согласована с Т » с и С «ы согласовано с G » с. Изображение Мао, 2004 г. [1]

Дизайн нуклеиновой кислоты - это процесс создания набора последовательностей оснований нуклеиновой кислоты , которые будут ассоциироваться в желаемую конформацию. Дизайн нуклеиновых кислот занимает центральное место в области ДНК-нанотехнологий и ДНК-вычислений . [2] Это необходимо, потому что существует множество возможных последовательностей цепей нуклеиновых кислот, которые будут складываться в данную вторичную структуру , но многие из этих последовательностей будут иметь нежелательные дополнительные взаимодействия, которых следует избегать. Кроме того, существует множество соображений, касающихся третичной структуры, которые влияют на выбор вторичной структуры для данной конструкции. [3] [4]

Дизайн нуклеиновой кислоты преследует те же цели, что и дизайн белка : в обоих случаях последовательность мономеров рационально разработана так, чтобы благоприятствовать желаемой складчатой ​​или ассоциированной структуре и не благоприятствовать альтернативным структурам. Однако дизайн нуклеиновой кислоты имеет то преимущество, что он является гораздо более простой в вычислительном отношении задачей, поскольку простота правил спаривания оснований Уотсона-Крика приводит к простым эвристическим методам, которые приводят к экспериментально надежным планам. Вычислительные модели сворачивания белка требуют информации о третичной структуре, тогда как дизайн нуклеиновой кислоты может работать в основном на уровне вторичной структуры.. Однако структуры нуклеиновых кислот по своей функциональности менее универсальны, чем белки. [2] [5]

Дизайн нуклеиновой кислоты можно рассматривать как инверсию предсказания структуры нуклеиновой кислоты . При предсказании структуры структура определяется на основе известной последовательности, тогда как при разработке нуклеиновой кислоты генерируется последовательность, которая будет формировать желаемую структуру. [2]

Основные концепции [ править ]

Химическая структура ДНК. Двойные спирали нуклеиновой кислоты образуются только между двумя цепями комплементарных последовательностей, где основания совпадают только в пары AT или GC.

Структура нуклеиновых кислот состоит из последовательности нуклеотидов . Существует четыре типа нуклеотидов, которые различаются по тому, какое из четырех нуклеотидных оснований они содержат: в ДНК это аденин (A), цитозин (C), гуанин (G) и тимин (T). Нуклеиновые кислоты обладают тем свойством, что две молекулы будут связываться друг с другом с образованием двойной спирали, только если две последовательности комплементарны , то есть они могут образовывать совпадающие последовательности пар оснований . Таким образом, в нуклеиновых кислотах последовательность определяет характер связывания и, следовательно, общую структуру. [5]

Дизайн нуклеиновой кислоты - это процесс, с помощью которого при заданной целевой структуре или функциональности генерируются последовательности для цепей нуклеиновых кислот, которые будут самособираться в эту целевую структуру. Дизайн нуклеиновой кислоты охватывает все уровни структуры нуклеиновой кислоты :

  • Первичная структура - необработанная последовательность азотистых оснований каждой из составляющих цепей нуклеиновой кислоты;
  • Вторичная структура - совокупность взаимодействий между основаниями, т. Е. Какие части каких нитей связаны друг с другом; и
  • Третичная структура - расположение атомов в трехмерном пространстве с учетом геометрических и стерических ограничений.

Одной из самых больших проблем при разработке нуклеиновых кислот является обеспечение того, чтобы целевая структура имела наименьшую свободную энергию (т.е. была наиболее термодинамически благоприятной), тогда как неправильно сформированные структуры имели более высокие значения свободной энергии и, таким образом, были нежелательны. [2] Этих целей можно достичь с помощью ряда подходов, включая эвристический , термодинамический и геометрический. Практически все задачи по разработке нуклеиновых кислот выполняются с помощью компьютеров, и для многих из этих задач доступен ряд пакетов программного обеспечения.

Два соображения при разработке нуклеиновых кислот заключаются в том, что желаемые гибридизации должны иметь температуры плавления в узком диапазоне, и любые ложные взаимодействия должны иметь очень низкие температуры плавления (т.е. они должны быть очень слабыми). [5] Существует также контраст между оптимизирующим сродство «позитивным дизайном», стремящимся минимизировать энергию желаемой структуры в абсолютном смысле, и оптимизирующим специфичность «негативным дизайном», который рассматривает энергию целевой структуры относительно те из нежелательных структур. Алгоритмы, реализующие оба типа дизайна, как правило, работают лучше, чем те, которые рассматривают только один тип. [2]

Подходы [ править ]

Эвристические методы [ править ]

Эвристические методы используют простые критерии, которые можно быстро оценить, чтобы судить о пригодности различных последовательностей для данной вторичной структуры. Их преимущество состоит в том, что они намного менее затратны с точки зрения вычислений, чем алгоритмы минимизации энергии , необходимые для термодинамического или геометрического моделирования, и их легче реализовать, но за счет того, что они менее строгие, чем эти модели.

Минимизация симметрии последовательностей - это самый старый подход к дизайну нуклеиновых кислот, который впервые был использован для создания неподвижных версий разветвленных структур ДНК. Минимизация симметрии последовательности делит последовательность нуклеиновой кислоты на перекрывающиеся подпоследовательности фиксированной длины, называемой длиной критерия. Каждой из 4 N возможных подпоследовательностей длины N разрешено появляться в последовательности только один раз. Это гарантирует, что не может произойти нежелательных гибридизаций, длина которых больше или равна длине критерия. [2] [3]

Связанный эвристический подход состоит в том, чтобы учитывать «расстояние несовпадения», то есть количество позиций в определенном фрейме, где основы не дополняют друг друга . Чем больше расстояние рассогласования, тем меньше вероятность того, что может произойти сильное ложное взаимодействие. [5] Это связано с концепцией расстояния Хэмминга в теории информации . Другой связанный, но более сложный подход заключается в использовании методов теории кодирования для построения последовательностей нуклеиновых кислот с желаемыми свойствами.

Термодинамические модели [ править ]

Дополнительная информация: Термодинамика нуклеиновых кислот

Информация о вторичной структуре комплекса нуклеиновой кислоты вместе с его последовательностью может быть использована для прогнозирования термодинамических свойств комплекса.

Когда термодинамические модели используются в дизайне нуклеиновых кислот, обычно есть два соображения: желаемые гибридизации должны иметь температуры плавления в узком диапазоне, и любые ложные взаимодействия должны иметь очень низкие температуры плавления (т.е. они должны быть очень слабыми). Свободная энергия Гиббса из идеально согласованной кислоты дуплекса нуклеиновой может быть предсказано с использованием ближайшего соседа модель . Эта модель рассматривает только взаимодействия между нуклеотидом и его ближайшими соседями на цепи нуклеиновой кислоты путем суммирования свободной энергии каждого из перекрывающихся двухнуклеотидных подслов дуплекса. Затем это корректируется на самокомплементарные мономеры и на содержание GC . Как только свободная энергия известна, температура плавлениядуплекса можно определить. Одно только содержание GC также можно использовать для оценки свободной энергии и температуры плавления дуплекса нуклеиновой кислоты. Это менее точно, но и требует меньших вычислительных затрат. [5]

Программное обеспечение для термодинамического моделирования нуклеиновых кислот включает Nupack , [6] [7] mfold / UNAFold , [8] и Vienna . [9]

Связанный подход, предсказание обратной вторичной структуры, использует стохастический локальный поиск, который улучшает последовательность нуклеиновой кислоты путем запуска алгоритма предсказания структуры и изменения последовательности для устранения нежелательных свойств. [5]

Геометрические модели [ править ]

Геометрическая модель тетраэдра ДНК, описанная в Goodman, 2005. [10] Модели этого типа полезны для гарантии того, что ограничения третичной структуры не вызывают чрезмерного напряжения в молекуле.

Геометрические модели нуклеиновых кислот используются для предсказания третичной структуры . Это важно, потому что разработанные комплексы нуклеиновых кислот обычно содержат несколько точек соединения, что вводит геометрические ограничения в систему. Эти ограничения проистекают из основной структуры нуклеиновых кислот , в основном из-за того, что двойная спираль, образованная дуплексами нуклеиновых кислот, имеет фиксированную спиральность примерно 10,4 пары оснований на оборот и является относительно жесткой . Из-за этих ограничений комплексы нуклеиновых кислот чувствительны к относительной ориентации больших и малых бороздок в точках соединения. Геометрическое моделирование позволяет обнаружить деформациювозникшие из-за перекосов в конструкции, которые затем может исправить проектировщик. [4] [11]

Геометрические модели нуклеиновых кислот для ДНК-нанотехнологий обычно используют сокращенные представления нуклеиновой кислоты, потому что моделирование каждого атома было бы очень дорогостоящим в вычислительном отношении для таких больших систем. Сообщается, что модели с тремя псевдоатомами на пару оснований, представляющими два основных сахара и ось спирали, обладают достаточным уровнем детализации для предсказания экспериментальных результатов. [11] Однако также используются модели с пятью псевдоатомами на пару оснований, явно включающими фосфаты основной цепи. [12]

Программное обеспечение для геометрического моделирования нуклеиновых кислот включает GIDEON , [11] Tiamat , [13] Nanoengineer-1 и UNIQUIMER 3D . [14] Геометрические аспекты представляют особый интерес при проектировании ДНК-оригами , потому что последовательность предопределена выбором цепи каркаса. Было создано программное обеспечение специально для дизайна ДНК-оригами, включая caDNAno [15] и SARSE . [16]

Приложения [ править ]

Дизайн нуклеиновой кислоты используется в нанотехнологиях ДНК для создания цепей, которые будут самособираться в желаемую целевую структуру. К ним относятся такие примеры, как ДНК-машины , периодические двух- и трехмерные решетки, многогранники и ДНК-оригами . [2] Его также можно использовать для создания наборов цепей нуклеиновых кислот, которые являются «ортогональными» или не взаимодействуют друг с другом, чтобы минимизировать или исключить ложные взаимодействия. Это полезно в вычислениях ДНК , а также в приложениях молекулярного штрих-кодирования в химической биологии и биотехнологии . [5]

См. Также [ править ]

  • Аналоги нуклеиновой кислоты
  • Синтетическая биология

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Mao, Chengde (декабрь 2004 г.). «Возникновение сложности: уроки ДНК» . PLOS Биология . 2 (12): 2036–2038. DOI : 10.1371 / journal.pbio.0020431 . ISSN  1544-9173 . PMC  535573 . PMID  15597116 .
  2. ^ a b c d e f g Диркс, Роберт М .; Лин, Майло; Уинфри, Эрик; Пирс, Найлз А. (2004). «Парадигмы компьютерного дизайна нуклеиновых кислот» . Исследования нуклеиновых кислот . 32 (4): 1392–1403. DOI : 10.1093 / NAR / gkh291 . PMC 390280 . PMID 14990744 .  
  3. ^ а б Seeman, N (1982). «Узлы и решетки нуклеиновых кислот». Журнал теоретической биологии . 99 (2): 237–47. DOI : 10.1016 / 0022-5193 (82) 90002-9 . PMID 6188926 . 
  4. ^ а б Шерман, Вт; Seeman, N (2006). «Дизайн минимально деформированных нанотрубок нуклеиновых кислот» . Биофизический журнал . 90 (12): 4546–57. Bibcode : 2006BpJ .... 90.4546S . DOI : 10.1529 / biophysj.105.080390 . PMC 1471877 . PMID 16581842 .  
  5. ^ a b c d e f g Бреннеман, Арвен; Кондон, Энн (2002). «Конструкция нитей для биомолекулярных вычислений». Теоретическая информатика . 287 : 39–58. DOI : 10.1016 / S0304-3975 (02) 00135-4 .
  6. ^ Диркс, Роберт М .; Буа, Джастин С .; Schaeffer, Joseph M .; Уинфри, Эрик; Пирс, Найлз А. (2007). «Термодинамический анализ взаимодействующих цепей нуклеиновых кислот». SIAM Обзор . 49 (1): 65–88. Bibcode : 2007SIAMR..49 ... 65D . CiteSeerX 10.1.1.523.4764 . DOI : 10.1137 / 060651100 . 
  7. ^ Заде, Джозеф Н .; Вулф, Брайан Р .; Пирс, Найлз А. (2011). «Дизайн последовательности нуклеиновой кислоты с помощью эффективной оптимизации дефектов ансамбля» (PDF) . Журнал вычислительной химии . 32 (3): 439–452. DOI : 10.1002 / jcc.21633 . PMID 20717905 .  
  8. ^ Цукер, М. (2003). «Веб-сервер Mfold для предсказания сворачивания нуклеиновых кислот и гибридизации» . Исследования нуклеиновых кислот . 31 (13): 3406–15. DOI : 10.1093 / NAR / gkg595 . PMC 169194 . PMID 12824337 .  
  9. ^ Gruber AR, Лоренц R, Бернхарт SH, Neuböck R, Hofacker IL (2008). "Венский веб-сайт РНК" . Nucleic Acids Res . 36 (выпуск веб-сервера): W70–4. DOI : 10.1093 / NAR / gkn188 . PMC 2447809 . PMID 18424795 .  
  10. ^ Гудман, RP; Шаап, IAT; Тардин, CF; Эрбен, СМ; Берри, РМ; Шмидт, CF; Турберфилд, AJ (9 декабря 2005 г.). «Быстрая хиральная сборка жестких строительных блоков ДНК для молекулярного нанопроизводства». Наука . 310 (5754): 1661–1665. Bibcode : 2005Sci ... 310.1661G . DOI : 10.1126 / science.1120367 . ISSN 0036-8075 . PMID 16339440 . S2CID 13678773 .   
  11. ^ a b c Бирак, Джеффри Дж .; Шерман, Уильям Б .; Копач, Йенс; Константину, Памела Э .; Симан, Надриан К. (2006). «Архитектура с GIDEON, программа для проектирования в структурных нанотехнологиях ДНК» . Журнал молекулярной графики и моделирования . 25 (4): 470–80. DOI : 10.1016 / j.jmgm.2006.03.005 . PMC 3465968 . PMID 16630733 .  
  12. ^ «Описание моделей PAM3 и PAM5» . Вики по документации Nanoengineer-1 . Нанорекс . Проверено 15 апреля 2010 .
  13. ^ Уильямс, Шон; Лунд, Кайл; Линь, Чэньсян; Вонка, Питер; Линдси, Стюарт; Ян, Хао (2009). «Тиамат: инструмент трехмерного редактирования сложных структур ДНК». ДНК-вычисления . Конспект лекций по информатике. 5347 . Springer Berlin / Heidelberg. С. 90–101. DOI : 10.1007 / 978-3-642-03076-5_8 . ISBN 978-3-642-03075-8. ISSN  0302-9743 .
  14. ^ Чжу, J .; Wei, B .; Yuan, Y .; Ми, Ю. (2009). «UNIQUIMER 3D, программный комплекс для проектирования, анализа и оценки структурных нанотехнологий ДНК» . Исследования нуклеиновых кислот . 37 (7): 2164–75. DOI : 10.1093 / NAR / gkp005 . PMC 2673411 . PMID 19228709 .  
  15. ^ Дуглас, SM; Мраморный камень, AH; Teerapittayanon, S .; Васкес, А .; Церковь, GM; Ши, WM (2009). «Быстрое прототипирование трехмерных форм ДНК-оригами с помощью caDNAno» . Исследования нуклеиновых кислот . 37 (15): 5001–6. DOI : 10.1093 / NAR / gkp436 . PMC 2731887 . PMID 19531737 .  
  16. ^ Андерсен, Эббе S .; Донг, Миндон; Nielsen, Morten M .; Ян, Каспер; Линд-Томсен, Аллан; Мамдух, Ваэль; Готельф, Курт V .; Бесенбахер, Флемминг; Кьемс, ЙёРген (2008). «Дизайн ДНК-оригами структур в форме дельфинов с гибкими хвостами». САУ Нано . 2 (6): 1213–8. DOI : 10.1021 / nn800215j . PMID 19206339 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Бреннеман, Арвен; Кондон, Энн (2002). «Конструкция нитей для биомолекулярных вычислений». Теоретическая информатика . 287 : 39–58. DOI : 10.1016 / S0304-3975 (02) 00135-4 .—Обзор подходов к дизайну первичной структуры нуклеиновых кислот.
  • Диркс, Роберт М .; Лин, Майло; Уинфри, Эрик; Пирс, Найлз А. (2004). «Парадигмы компьютерного дизайна нуклеиновых кислот» . Исследования нуклеиновых кислот . 32 (4): 1392–1403. DOI : 10.1093 / NAR / gkh291 . PMC  390280 . PMID  14990744 .—Сравнение и оценка ряда эвристических и термодинамических методов дизайна нуклеиновых кислот.
  • Seeman, N (1982). «Узлы и решетки нуклеиновых кислот». Журнал теоретической биологии . 99 (2): 237–47. DOI : 10.1016 / 0022-5193 (82) 90002-9 . PMID  6188926 .—Одна из самых ранних работ по дизайну нуклеиновых кислот, описывающая использование минимизации симметрии последовательностей для создания неподвижных разветвленных соединений.
  • Андерсен, Эббе Ленивец (2010). «Прогнозирование и дизайн структур ДНК и РНК». Новая биотехнология . 27 (3): 184–193. DOI : 10.1016 / j.nbt.2010.02.012 . PMID  20193785 .—Обзор, сравнивающий возможности доступного программного обеспечения для разработки нуклеиновых кислот.