Группа учёных из США предложила новый способ укладки ДНК-оригами, который позволяет сконструировать прочные трёхмерные объекты. Всем, пожалуй, известен способ изготовления глиняных сосудов из длинного жгута, который укладывается по спирали, или из нескольких глиняных колец разного диаметра.

Рис. 1. Плоская фигура
из девяти вложенных
друг в друга колец.
Вверху: схема. Внизу:
изображения АСМ
полученных фигур.

Учёные решили использовать сходный принцип для сворачивания из ДНК наноразмерных объёмных фигур.

Первым делом исследователи потренировались на плоских объектах, начав с фигуры, состоящей из девяти вложенных друг в друга колец. Перед ними стояли вопросы: как подобрать размер колец, чтобы они плотно вкладывались одно в другое, и как обеспечить прочное соединение колец между собой. Авторы говорят, что если их подход будет иметь успех, то нужно будет написать программу для подобных расчетов; пока же все параметры подбирались вручную. Учёные исходили из того, что в готовой фигуре ДНК будет свёрнута в спираль В-формы (около 10 нуклеотидов на виток).

Они рассчитали, что разница между кольцами должна составлять 48–50 нуклеотидов.
При этом внутреннее кольцо решили собрать из 200 пар нуклеотидов, следующее из 250 и так далее (внешнее – из 600). Связь между кольцами обеспечивается классическим для ДНК-оригами способом – при помощи кроссоверов, пересечений. Однако места пересечений необходимо подбирать с особой тщательностью, так как число витков двойной спирали ДНК во внешнем и внутреннем кольцах различно. Количество пересечений должно быть делителем числа 50. Один и два – слишком мало, чтобы обеспечить жёсткую структуру, 25 или 50 – чересчур много, а вот пять-десять – в самый раз, решили исследователи. То, что расчёт был верен и кольцевые фигуры диаметром 62 нм собираются не только в головах учёных, подтверждается при помощи АСМ (рисунок 1).

Кстати, почему 10 нуклеотидов на виток? Ведь В-форма – это 10.4 нуклеотида на один оборот спирали. Но работать-то проще с целыми числами. Учёные проверили, насколько хорошо ДНК собирается в кольца при разных расчётных количествах нуклеотидов на виток (8, 9, 10, 11, 12, 13) (рисунок 2). Оказалось, что с наилучшим выходом формируются кольца с 10 и 11 нуклеотидами на виток спирали (98% и 96%, соответственно). Худший результат – 81% для 13 нуклеотидов на виток (но и он тоже не так уж плох). Эта информация дала исследователям некоторый простор при конструировании более сложных, трёхмерных фигур.

Рис. 2. Определение стабильности конформаций ДНК при помощи структуры из нескольких колец. Кольца a, b, c, d, e, f спроектированы таким образом, что образующая их ДНК должна иметь 8, 9, 10, 11, 12 или 13 нуклеотидов на один виток спирали. Внизу слева на изображениях АСМ видно, что у полученных частиц не всегда присутствуют все эти кольца. Внизу справа приведена гистограмма, отражающая выход полностью собранных колец в зависимости от числа нуклеотидов на оборот спирали.

В качестве демонстрации возможностей предложенного метода учёные смоделировали и затем синтезировали полусферу и даже наноразмерную лабораторную колбу (рисунок 3). С фотографиями других плоских и объёмных фигур, сложенных из гнутых двойных спиралей ДНК, можно ознакомиться в работе «DNA Origami with Complex Curvatures in Three-Dimensional Space», опубликованной в Science.

Рис. 3. Модель и изображения ПЭМ полусферы и колбы.

Dongran Han, Suchetan Pal, Jeanette Nangreave, Zhengtao Deng, Yan Liu and Hao Yan DNA Origami with Complex Curvatures in Three-Dimensional Space. – Science 15 April 2011: Vol. 332 no. 6027 pp. 342–346; DOI: 10.1126/science.1202998.