Zajačik Origami vyrobený z DNA

Zajačik Origami vyrobený z DNA

Výskumníci vyvinuli metódu na vytváranie malých štruktúr z DNA založenú na 3-D polygonálnych tvaroch vytvorených pomocou počítača. Reťazec „lešenia“ DNA je biely a „hlavné“ vlákna DNA sú farebné. Obrázok s láskavým dovolením Björn Högberg

Cukríkový zajačik vyššie vyzerá dosť dobre na jedenie, ale nie je to žiadny veľkonočný zvyšok. Toto je 3-D vytlačený model mikroskopickej štruktúry v tvare králika, ktorý je vyrobený výlučne z DNA. Zväčšený obrázok tejto drobnej štruktúry (ktorá je dlhá 50 nanometrov) sa objaví nižšie. Dokážete rozoznať jeho tvar vata?



Už viac ako 30 rokov vedci experimentujú s DNA, aby vytvorili nanoštruktúry, od jednoduchých 2-D listov až po zložitejšie tvary, ako sú osemsteny, hviezdy atď. dokonca aj smajlíky .

„Úžasné je, že DNA môže fungovať ako molekula na ukladanie informácií, ale môže fungovať aj ako stavebný blok Lega,“ hovorí Shawn Douglas, ktorý pracuje na nanotechnológii DNA v jeho laboratórium na Kalifornskej univerzite v San Franciscu (nezapojil sa do práce so zajačikom).

Mnohé z vlastností, vďaka ktorým je DNA užitočná v prírode, sa skutočne hodia na konštrukčný materiál nanometrov. Napríklad vlákna DNA sa v roztoku samozostavia vďaka komplementárnemu párovaniu báz. Okrem toho sa nukleová kyselina môže viazať na iné molekuly, ako sú proteíny, „čo jej umožňuje slúžiť ako lešenie pre komplexné nanomachinery,“ uvádza sa článok z roku 2010 vystupovanie v Príroda . Inými slovami, vedci môžu na DNA nalepiť veci, ktoré ju prispôsobia určitým úlohám.

Tím najprv vytvoril mnohouholníkovú sieť zajačika (vľavo), potom pomocou počítačového algoritmu prišiel na to, ako možno jedno vlákno DNA nasmerovať tak, aby sa samo zostavilo do predpísaného tvaru pomocou „sponky DNA“. „pramene. Výsledkom bola „skutočná“ nanoštruktúra DNA (vpravo). Obrázok s láskavým dovolením Björn Högberg

Tím, ktorý vytvoril králika, použil techniku ​​​​manipulácie DNA nazývanú DNA origami, ktorá bola prvýkrát opísaný v roku 2006 . Stručne povedané, metóda zahŕňa poskladanie dlhého kusu jednovláknovej DNA do vopred navrhnutého tvaru pomocou kratších vlákien - nazývaných 'sponky' - ktoré sa viažu na komplementárne sekvencie na dlhšom reťazci a účinne ho 'zošívajú' na mieste.

Ale výskumníci pridali k tomuto prístupu zvrat a požičali si nápady z počítačovej grafiky a teórie grafov.

Hlásenie v a najnovšie vydanie z Príroda , použili 3-D softvér na vytvorenie tvarov známych v jazyku CG ako „sieťky“. (Sieť je v podstate séria mnohouholníkov zlepených dohromady tak, aby vytvorili obrazec, ktorý vyjadruje trojrozmernosť. Figúrka z krištáľu Swarovski , a tak nejako vyzerá sieťka zajačika. Pozrite si obrázok vyššie.)

Ďalej použili algoritmus na to, aby zistili, ako by mohol byť jeden reťazec DNA smerovaný pozdĺž každého okraja siete. Pri vývoji algoritmu vychádzali z matematického konceptu známeho ako a Eulerovský okruh , čo je obvod, ktorý sa každej hrany na viacstrannom tvare dotkne iba raz.

Ak pri vyhľadávaní danej siete algoritmus nemohol nájsť trasu, ktorá nebola prekročená, zistil, ktoré okraje by sa mali zdvojnásobiť, čo by malo za následok minimálne množstvo prekrývania. Akonáhle bola určená celá cesta, softvér ju naplnil sekvenciou zvoleného reťazca DNA. (Použili DNA z bakteriofága so známou sekvenciou.)

Posledné kroky zahŕňali definovanie „základných“ reťazcov DNA, ktoré by držali dlhé reťazce pohromade v kľúčových oblastiach; objednávanie týchto reťazcov od spoločnosti syntetizujúcej DNA; a hádzanie dlhých a krátkych dohromady do roztoku, aby sa mohli sami zostaviť.

Súvisiaci článok

Papierová rozprávka: Život umelca origami

To, čo sa zhmotnilo, boli 3-D nanoštruktúry, ktoré pri pohľade pod mikroskopom v skutočnosti pripomínali sieťku zajačika, ako aj niekoľko ďalších tvarov, ktoré výskumníci navrhli, vrátane fľaše a mávajúceho stickmana. (Pre informáciu, zajačika nebol vybraný z rozmaru: je založený na experimentálnom modeli bežne používanom pri testovaní techník počítačovej grafiky, známom ako „ Stanfordský zajačik pre univerzitu, kde ho vedci prvýkrát vyvinuli. Samotný model je založený na terakotovom králikovi.)

Tvary nanoštruktúr sú „viac nafúknuté a otvorenejšie“ ako predchádzajúce tvary navrhnuté prostredníctvom DNA origami, hovorí Björn Högberg, docent výskumu na Karolinska Institutet v Štokholme vo Švédsku, ktorý na prácu dohliadal. „Ľudia predtým robili 3-D štruktúry, ktoré boli trochu viac ako plné tehly,“ hovorí – to znamená, že usporiadanie DNA bolo vzájomne prepojené ako Lincoln Logs, zatiaľ čo tieto novšie štruktúry sú skôr klietky.

Typ konformácie DNA, ktorý sa výskumník rozhodne použiť v nanoštruktúre, „závisí od toho, na aký typ aplikácie chcete použiť štruktúry origami,“ hovorí Högberg.

Kým zajačik a spol. sú viac dôkazom konceptu, potenciálne aplikácie pre nanoštruktúry DNA sú vo všeobecnosti rozmanité. Högbergov tím napríklad skúma bunkovú komunikáciu pripojením proteínov v rôznych vzoroch na DNA origami lešenia a ich vystavením bunkám rakoviny prsníka. A je možné, že niekedy v budúcnosti by nanoštruktúra DNA mohla obsahovať liek a po rozpoznaní proteínu cieľovej bunky v tele ho uvoľniť.

DNA je druh „molekuly superhviezdy,“ hovorí Douglas. Je toho oveľa viac, čo dokáže, teraz, keď je zajačik z klobúka.