ДНК-нанотехнологии
-
История ДНК-нанотехнологий
- Концептуальные основы заложены Надрианом Симаном в начале 1980-х годов
- Первая теоретическая работа опубликована в 1982 году
- Первая экспериментальная демонстрация неподвижного соединения ДНК в 1983 году
- В 1991 году синтезирован куб из ДНК, первая синтетическая трехмерная наноструктура
- В 2009 году синтезирована трехмерная решетка ДНК
-
Развитие и достижения
- В 1999 году продемонстрирована первая наномашина ДНК
- В 2000 году продемонстрирована система перемещения ДНК
- В 2002 году продемонстрировано использование массивов ДНК для сборки других молекул
- В 2006 году продемонстрирован метод ДНК-оригами
- В 2009 году продемонстрирован трехмерный ДНК-оригами
-
Фундаментальные концепции
- ДНК-нанотехнологии основаны на самосборке нуклеиновых кислот
- Нуклеиновые кислоты связываются по правилам спаривания оснований
- Последовательности оснований определяют структуру и связывание
-
Подполя ДНК-нанотехнологий
- Структурная ДНК-нанотехнология фокусируется на статических структурах
- Динамическая ДНК-нанотехнология фокусируется на неравновесных структурах
-
Структурная ДНК-нанотехнология
- Использует топологически разветвленные структуры нуклеиновых кислот
- Примеры: четырехплечий узел, мотив двойного пересечения (DX)
- Позволяет создавать периодические, апериодические и дискретные структуры
-
Протяженные решетки
- Комплексы нуклеиновых кислот объединяются в двумерные периодические решетки
- Примеры: матрицы DX, ромбовидная решетка на стыке Холлидея
- Апериодические структуры могут выполнять вычисления
-
Нанотрубки ДНК
- Образуются из изогнутых DX-фрагментов
- Легче модифицировать и соединять с другими структурами
-
Дискретные структуры
- Синтезированы трехмерные комплексы ДНК с многогранной связностью
- Примеры: октаэдр ДНК, тетраэдр ДНК
- ДНК-оригами используется для создания произвольных форм
-
Шаблонная сборка
- Включает молекулы, отличные от нуклеиновых кислот (гетероэлементы)
- Использует самосборку структур нуклеиновых кислот для создания шаблонов
- Примеры: размещение наночастиц золота, стрептавидина, углеродных нанотрубок
-
Динамическая нанотехнология ДНК
- Формирует системы нуклеиновых кислот с динамическими функциями
- Примеры: наномеханические устройства, реагирующие на раздражители
-
Наномеханические устройства
- Меняют структуру при воздействии раздражителя
- Примеры: устройства, реагирующие на изменение буферных условий
-
Примеры ДНК-нанотехнологий
- Молекулярные пинцеты, переключающиеся между конформациями
- Двумерный массив, расширяющийся и сжимающийся
- Структуры, открывающиеся и закрывающиеся
- ДНК-оригами с РНК-полимеразой Т7
-
ДНК-ходунки
- Направленное движение по линейной траектории
- Управление движением с помощью управляющих цепей
- Использование рестрикционных ферментов и дезоксирибозимов
- Цепная ДНК, движущаяся по пути ДНК
-
Каскады смещения нитей
- Реакция смещения цепей для вычислительных и структурных целей
- Изотермическая работа сборки и вычислительного процесса
- Создание молекулярных логических элементов
-
Приложения ДНК-нанотехнологий
- Кристаллография для определения структуры молекул
- Замена жидких кристаллов в белковой ЯМР-спектроскопии
- ДНК-ходунки для перемещения наночастиц и химического синтеза
- Биофизические исследования ферментов и свертывания белков
-
Потенциальное применение в реальном мире
- Молекулярная электроника и программируемая материя
- ДНК-устройства для управления функциями молекул и доставки лекарств
- ДНК-нанотехнологии в наномедицине для адресной доставки лекарств и диагностики
-
Примеры исследований
- ДНК-коробка с переключателями для управления функциями молекул
- ДНК-ячейка для адресной доставки лекарств
- Доставка РНК-интерференции с помощью тетраэдра ДНК
- Преодоление множественной лекарственной устойчивости с помощью тетраэдра ДНК
- Определение субклеточной экспрессии и распределения белков с помощью тетраэдра ДНК
-
История и развитие ДНК-оригами
- В 2012 году Лангекер и соавт. представили структуру ДНК-оригами, способную встраиваться в липидные мембраны и индуцировать ионные токи.
- За этим последовали многочисленные проекты по созданию пор на основе ДНК.
-
Структура и свойства ДНК-оригами
- ДНК-оригами имеет тороидальную форму, что способствует быстрому перемещению липидов.
- Исследователи разработали синтетический фермент на основе ДНК, преобразующий липиды быстрее, чем природные белки.
-
Дизайн наноструктур ДНК
- Процесс начинается с определения целевой структуры и вторичной структуры.
- Используются подходы на основе плиток, складных конструкций и динамической сборки.
-
Разработка последовательности действий
- После определения вторичной структуры разрабатывается последовательность нуклеотидов.
- Используются эвристические методы и термодинамические модели для минимизации энергии структуры.
-
Материалы и методы
- Последовательности ДНК разрабатываются с помощью молекулярного моделирования.
- Нуклеиновые кислоты синтезируются и очищаются, концентрации определяются с помощью УФ-спектроскопии.
- Структуры проверяются с помощью электрофореза и флуоресцентного мечения.
-
Визуализация и анализ
- Структуры визуализируются с помощью атомно-силовой микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии.
- Протяженные трехмерные решетки анализируются с помощью рентгеновской кристаллографии.