Ученые из Университета Аризоны усовершенствовали технологию ДНК-оригами (метод создания наноструктур из разных фрагментов ДНК) и научились получать из нуклеиновой кислоты многоугольники с произвольными углами между гранями. В том числе таким образом удалось создать  и производное ромбокубоктаэдра — курносый куб. Работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.

Новый подход отличается тем, что для создания ребер каркаса используется не две объединенные в спираль цепочки ДНК, а четыре, которые составляют две параллельные двойные спирали. Это позволяет будущим дизайнерам нанокаркаса использовать в его вершинах практически любое количество ребер — от двух до десяти. Основой для вершины при этом выступает одна циклическая цепочка ДНК, к которой присоединяются цепочки ребер (на рисунке циклическая ДНК показана светло-голубыми линиями с красными и малиновыми вставками). 

Строение курносого куба и изображения соответствующей наночастицы, полученные методом электронной криомикроскопии. Изображение: Fei Zhang et al. / Nature Nanotechnology, 2015

Структура узлов в новом подходе к ДНК-оригами: разными цветами показаны разные ковалентные цепочки ДНК. При сравнении левых верхнего и нижнего рисунков видно, как вставка «лишних» нуклеотидов изменяет угол расхождения граней в узле. Стрелками показано направление внешней «обходящей» цепочки. Изображение: Fei Zhang et al. / Nature Nanotechnology, 2015

Благодаря новому подходу авторы работы смогли легко синтезировать как простые двухмерные каркасы (плоскости, разбитые на треугольники, квадраты или шестиугольники), так и фигуры без локальной симметрии в вершинах, такие как, например, мозаики Пенроуза. Ключевым для этого стала возможность точно управлять углами между ребрами, входящими в одну вершину. Для этого в цепочку ДНК, огибающую два соседних ребра, встраивается фрагмент из тиминовых остатков необходимой длины. Он выполняет функцию своеобразной «распорки».

Мозаики Пенроуза, созданные авторами работы с помощью усовершенствованного метода ДНК-оригами. Изображение: Fei Zhang et al. / Nature Nanotechnology, 2015

Следующим усовершенствованием стала новая методика сборки объемных каркасов из их плоских разверток. Авторы разработали последовательность «склеивания» цепочек, которая привела к образованию кубоктаэдра — полуправильного многогранника из 8 правильных треугольников и 6 квадратов. Затем новую методику опробовали на более сложной конструкции — курносом кубе. Это сложный полуправильный многогранник, получаемый из ромбокубоктаэдра мысленным поворотом квадратных граней на небольшой угол.

Объемные структуры, созданные авторами работы с помощью усовершенствованного метода ДНК-оригами. Полуправильными здесь называются те многогранники в которых все грани — правильные многоугольники, но не обязательно одинаковые. Изображение: Fei Zhang et al. / Nature Nanotechnology, 2015

Строение получившихся трехмерных объектов было подтверждено методом просвечивающей электронной криомикроскопии. Этот метод заключается в быстром замораживании раствора исследуемых объектов (например, белков) в воде и исследовании тонкой ледяной пластинки под микроскопом. Ученые получают сотни тысяч изображений — «теней» молекул — из которых восстанавливается 3D-структура.

Методика ДНК-оригами основана на «склеивании» комплементарных цепочек ДНК между собой: каждая из цепочек состоит из четырех типов букв — нуклеотидов, аденина (A), гуанина (G), цитозина © и тимина (T) — которые соединяются между собой только определенными парами, A с T, G с C. Зная последовательность букв в одной цепочке, можно подобрать к ней другие короткие цепочки, которые будут склеивать ее заранее известным образом в определенных местах. Таким образом можно, например, выложить из одной длинной нити ДНК плоскую фигуру.

Условная последовательность действий проста: мы берем раствор, содержащий в себе длинную исходную одноцепочечную молекулу ДНК и добавляем в него по очереди маленькие скрепки — олигонуклеотиды. Каждая следующая скрепка меняет форму исходной молекулы, все ближе приближаясь к необходимой. Самое главное в методе ДНК-оригами — разработать саму схему «склеивания» и «складывания».