Ученые прокладывают путь «нано-ботам» для диагностики и лечения болезней.
С помощью техники, известной как ДНК-оригами, ученые создали самый быстрый и самый устойчивый ДНК-наномотор. Новые результаты дают представление о том, как оптимизировать конструкцию двигателей на наноуровне – в сотни раз меньшей, чем типичная человеческая клетка.
[penci_related_posts title=”Вам также может быть интересно” number=”4″ style=”list” align=”none” displayby=”cat” orderby=”random”]
«Наноразмерные двигатели обладают огромным потенциалом для применения в биосенсировании, создании синтетических клеток, а также для молекулярной робототехники», – говорит Халид Салаита, автор статьи и профессор химии в Университете Эмори. «ДНК-оригами позволила нам переделать конструкцию двигателя и выявить параметры конструкции, которые контролируют его свойства».
Новый двигатель ДНК имеет форму стержня и использует РНК-топливо для постоянного вращения по прямой линии без вмешательства человека со скоростью до 100 нанометров в минуту. Это в 10 раз быстрее, чем предыдущие двигатели ДНК.
Салаита также работает преподавателем кафедры биомедицинской инженерии Уоллеса Х. Коултера, которая является совместной программой Технологического института Джорджии и Эмори. Это совместная работа лаборатории Салайты и Юнган Ке, доцента Медицинской школы Эмори и кафедры биомедицинской инженерии Уоллеса Х. Култера.
«Наш сконструированный двигатель ДНК работает быстро, – говорит Ке, – но нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы достичь универсальности и эффективности этих биологических двигателей. В конечном счете, цель состоит в том, чтобы создать искусственные двигатели, которые соответствуют сложности и функциональности белков и которые перемещают груз в клетках”.
Создание вещей из ДНК – «ДНК-оригами», использует естественную близость ДНК-оснований A, G, C и T к сопряжению друг с другом. Перемещая последовательность букв на нитях, исследователи могут связать нити ДНК, создавая различные формы. Жесткость ДНК-оригами можно легко отрегулировать, чтобы они оставались прямыми, как кусочек сухого спагетти или изгибались и сворачивались как вареные спагетти.
В последние десятилетия растущая вычислительная мощность и использование самосборки ДНК для индустрии геномики значительно продвинули область оригами ДНК. Потенциальные применения для двигателей ДНК включают устройства доставки лекарств в форме нанокапсул, которые открываются при достижении цели, нанокомпьютеры и нанороботы, работающие на линиях сборки наномасштабов.
«Сейчас это может показаться научной фантастикой, но наша работа помогает приблизить все это к реальности», – говорит Алисина Базрафшан, кандидат наук Emory.
Одной из самых больших проблем моторов ДНК является тот факт, что правила, регулирующие движение на наноуровне, отличаются от правил для объектов, которые могут видеть люди. Молекулярные устройства должны пробиваться сквозь постоянный поток молекул. Эти силы могут привести к случайному дрейфу таких крошечных устройств, как пыльцевые зерна, плавающие на поверхности реки, это явление известное как броуновское движение.
Вязкость жидкостей также оказывает гораздо большее влияние на что-то крошечное, чем молекула, поэтому вода становится больше похожа на патоку.
Многие предшествующие двигатели ДНК «двигаются» шаговыми движениями. Проблема в том, что двуногие версии, как правило, нестабильны. Шагающие двигатели с более чем двумя ногами приобретают устойчивость, но дополнительные ноги замедляют их.
Исследователи из Эмори решили эти проблемы, разработав вращающийся ДНК-двигатель в форме стержня. Стержень или «шасси» мотора состоит из 16 нитей ДНК, соединенных вместе в стек по четыре на четыре, чтобы образовать балку с четырьмя плоскими сторонами. Тридцать шесть кусочков ДНК выступают с каждой стороны стержня, как маленькие ножки.
Чтобы стимулировать его движение, мотор помещают на дорожку РНК, нуклеиновой кислоты с парами оснований, которые комплементарны парам оснований ДНК. РНК тянет к ногам ДНК на одной стороне двигателя и привязывает их к дорожке. Фермент, который нацелен только на РНК, которая связана с ДНК, затем быстро разрушает связанную РНК. Это заставляет двигатель вращаться, поскольку ноги ДНК на следующей стороне двигателя тянутся вперед их притяжением к РНК.
Двигатель вращающейся ДНК создает постоянный путь, поэтому он продолжает двигаться по прямой линии, в отличие от более случайного движения движущихся двигателей ДНК. Вращающееся движение также увеличивает скорость нового ДНК-мотора: он может перемещаться по длине человеческой стволовой клетки в течение двух или трех часов. Предыдущим двигателям ДНК требовалось около дня, чтобы преодолеть то же расстояние.
Одной из самых больших проблем было измерение скорости двигателя на наноуровне. Эта проблема была решена путем добавления флуоресцентных меток на каждом конце двигателя ДНК и оптимизации условий визуализации на флуоресцентном микроскопе.
Методом проб и ошибок исследователи определили, что форма жесткого стержня была оптимальной для движения по прямой линии и что 36 футов на каждой стороне двигателя обеспечивали оптимальную плотность для скорости.
«Мы предоставили настраиваемую платформу для моторов ДНК-оригами, которую другие исследователи могут использовать для проектирования, тестирования и оптимизации моторов для дальнейшего развития отрасли», – говорит Базрафшан. «Наша система позволяет вам тестировать эффекты всех видов переменных, таких как форма и жесткость шасси, а также количество и плотность опор для точной настройки вашего дизайна».
Например, какие переменные могут привести к двигателю ДНК, который движется по кругу? Или мотор, который поворачивается, чтобы обойти барьеры? Или тот, который ориентирован на конкретную цель?
«Мы надеемся, что другие исследователи придумают другие креативные проекты, основанные на наших результатах», – говорит Базрафшан.
Источник:
Университет Рутгерса
Фото: Stephanie Jones, bio-illustrations.com