3D-наноструктуры ДНК

Складывание ДНК Нанотехнология ДНК, которая похожа на складывание бумаги, была разработана около 30 лет назад. В 2006 году Пол Ротемунд из Калифорнийского технологического института продемонстрировал складывание длинных цепей ДНК в широкий диапазон заданных форм. Полученные наноструктуры можно использовать в качестве каркасов или миниатюрных печатных плат для точной сборки таких компонентов, как углеродные нанотрубки и нанопроволоки. Но чтобы сделать структуру ДНК из нескольких складок, необходимо добавить несколько сотен «скоб» к областям, окружающим отдельные нити ДНК, а для создания новых наноструктур требуется новый набор скоб. Более того, структуры ДНК имеют тенденцию располагаться случайным образом на поверхности подложки, что затрудняет их последующую интеграцию в электронные схемы. ДНК-кирпич Чтобы преодолеть вышеупомянутую трудность, исследователи из Гарвардского университета в США разработали метод создания очень сложных трехмерных наноструктур путем сборки синтетических «кирпичиков» ДНК. Кирпичи, похожие на крошечные кусочки LEGO, можно собирать в самые разные формы и конфигурации для создания тщательно продуманных наноструктур. Исследователи изготавливали блоки ДНК методом самосборки, начиная с длинных цепей ДНК, соединяя короткие синтетические цепочки ДНК вместе для создания более крупных структур, соответствующим образом контролируя локальные взаимодействия между цепями. Этот метод основан на методе самосборки ДНК с использованием четырех пар оснований в ДНК - аденозина, тимина, цитозина и гуанина, которые могут естественным образом соединяться определенными способами для создания коллекции 2D-структур. Техника Техника создания трехмерной структуры начинается с меньшей цепочки ДНК-кирпичика длиной всего 32 основания, имеющей четыре области для связывания с четырьмя соседними цепочками ДНК-кирпичика, которые соединены под углом 90 ° и встроены в пространство для создания молекулярного куба ДНК, содержащего сотни кирпичи. Каждая структура ДНК самоорганизуется в кирпич, закодированный индивидуальной последовательностью, которая определяет ее окончательное положение в наноструктуре. Каждую последовательность будет привлекать только дополнительная последовательность, так что конкретные формы могут быть созданы путем выбора различных последовательностей. Приложения Используя технику ДНК-кирпичиков, можно очень легко создать любое количество структур из одного и того же мастер-куба, просто выбрав подмножества определенных кирпичиков ДНК. Можно создать множество сложных форм, содержащих замысловатые полости, поверхностные элементы и каналы, которые сложнее любой трехмерной структуры ДНК, созданной до сих пор. Также модификации могут быть сделаны путем добавления или удаления блоков ДНК без изменения основной структуры. Исследователи утверждают, что многие подходящие технологически важные гостевые молекулы могут быть включены в функциональные устройства, которые могут служить в качестве программируемых молекулярных зондов, инструментов для биологической визуализации и средств доставки лекарств, а также для изготовления сложных неорганических устройств с высокой производительностью для приложений электроники и фотоники. Они также заявляют, что, используя синтетические полимеры, а не естественную форму ДНК, можно создать функциональные структуры, устойчивые в более широком разнообразии различных сред. Исследователи говорят, что структуры, созданные с использованием техники ДНК-кирпичей, могут найти применение в самых разных приложениях, таких как интеллектуальные медицинские устройства для адресной доставки лекарств в организм, программируемые зонды визуализации и даже в производстве более быстрых и мощных компьютеров. микросхемы. микрочип ДНК Микрочипы используются в компьютерах, сотовых телефонах и других электронных устройствах. IBM создает микрочипы ДНК с использованием наноструктур ДНК. Это попытка использовать биологические молекулы для облегчения обработки в полупроводниковой промышленности, потому что биологические структуры, такие как ДНК, на самом деле предлагают некоторые очень воспроизводимые, повторяющиеся виды паттернов. Это будет структура следующего поколения, и производители микросхем будут соревноваться в разработке микросхем наименьшего размера по более низкой цене. Обнаружение генов Платформа для обнаружения генов, созданная из самособирающихся наноструктур ДНК, была создана с использованием 100 триллионов реактивных и функциональных компонентов ДНК. Сканируя прикрепленные дифференцированные метки по массе, можно получить четкое определение молекулярного состава раствора. Этот метод позволит штрих-кодировать отдельные молекулы для упрощения идентификации и анализа. Биологическое зондирование Исследования американских исследователей привели к созданию наноструктур, полностью состоящих из графена и ДНК. Когда взаимодействия между двумя компонентами отслеживались с помощью флуоресцентного белка, было обнаружено, что одноцепочечная ДНК взаимодействует с углеродным соединением намного сильнее, чем ее двухцепочечный родственный брат. Когда комплементарная ДНК была добавлена ​​к цепям, уже находящимся на графеме, белок-маркер начал светиться с новой силой, указывая на то, что были сформированы новые молекулы ДНК, поскольку первые цепочки отделились от своего графенового субстрата. По мнению исследователей, это свойство может проложить путь к созданию новых классов биосенсоров. Наноструктуры графена-ДНК будут использоваться в больницах для обнаружения таких состояний, как рак, токсины в разлагающейся и измененной пище, а также для сканирования пакетов, предположительно содержащих биологическое оружие. на наличие следов болезнетворных микроорганизмов. ДНК-машины Оксфордский центр мягкой и биологической материи сообщает, что элегантная избирательность спаривания оснований Уотсона-Крика делает ДНК чрезвычайно полезным инструментом для создания наноразмерных объектов и машин. Стабильные структуры и механические циклы могут быть запрограммированы в систему одиночных цепей путем тщательного выбора последовательностей оснований. Каркас наноструктуры ДНК Исследователи из Университета штата Аризона разработали наноструктуру ДНК различных форм и размеров, которая может нести молекулы, вызывающие иммунный ответ в организме. Они уже разработали наноструктуры ДНК, которые могут функционировать как скаффер, и создали синтетические вакцинные комплексы, напоминающие природный вирус, но без компонента болезни. Затем синтетические вакцинные комплексы были прикреплены к наноструктурам ДНК пирамидальной и ветвистой формы. Это имеет большой потенциал для разработки целевых терапевтических средств. Кристаллы ДНК Химики Нью-Йоркского университета создали трехмерные структуры ДНК, которые имеют ряд потенциальных промышленных и фармацевтических применений, таких как создание наноэлектронных компонентов и организация мишеней рецепторов лекарств для освещения их трехмерных структур. создание синтетических последовательностей ДНК, которые обладают способностью самоорганизовываться в серию трехмерных треугольных мотивов. Создание кристаллов зависело от нанесения «липких концов» - небольших когезионных последовательностей на каждом конце мотива, - которые прикрепляются к другим молекулам и размещают их в заданном порядке и ориентации. Макияж этих липких концов позволяет узорам запрограммированно прикрепляться друг к другу. С помощью техники генной инженерии несколько спиралей были связаны друг с другом через однонитевые липкие концы, были сформированы решетчатые структуры, которые простираются в шести разных направлениях, в результате чего был получен трехмерный кристалл.