обчислень не обійтися. Якщо потрібно зробити якусь структуру і тепер повинні підібрати послідовність ДНК, яка в цю структуру згорнеться за рахунок взаємодії комплементарних областей, але при цьому в послідовності не повинно бути паразитних взаємодій, непередбачених комплементарних областей, що утворюють альтернативні структури. Плюс структура повинна відповідати іншим критеріям, наприклад, мати температуру плавлення вище деякої заданої величини.
. 1 двомірний СТРУКТУРИ ІЗ ДНК
Методологічний прорив влаштував Paul Rothemund (Каліфорнійський Технологічний Інститут) в 2006 році, саме він і придумав термін «ДНК-орігамі». У своїй статті в «Nature» він представив безліч кумедних двомірних об'єктів, зроблених з ДНК. Принцип, запропонований ним, досить простий: взяти довгу (приблизно 7 000 нуклеотидів) «опорну» одноцепочечную молекулу ДНК і потім за допомогою сотні коротких ДНК-скріпок, що утворюють дволанцюжкові області з опорною молекулою, зігнути опорну ДНК в потрібну двомірну структуру. Для початку (а) треба намалювати потрібну нам форму червоним кольором і прикинемо, як заповнити її ДНК (представимо її на цьому етапі у вигляді труб). Далі (b) уявити, як провести одну довгу опорну молекулу по потрібній формі (показана чорною лінією). На третьому етапі (с) подумати, де розмістити «скріпки», стабілізуючі укладку довгою опорної ланцюга. Четвертий етап (d): більше деталей, як виглядатиме вся нужнаяструктура ДНК і, нарешті, (e) схема потрібної нам структури, можна замовляти ДНК потрібній послідовності!
Малюнок 6 - етапи отримання двомірних об'єктів.
Як же з хімічно синтезованих ДНК зібрати потрібну структуру? Тут на допомогу приходить процес плавлення. Треба взяти пробірку з водним розчином, кинути в неї всі фрагменти ДНК і нагрівати до 94-98С, температури, яка гарантовано плавить всю ДНК (переводить її в одноцепочечную форму). Далі просто дуже повільно (у перебігу багатьох годин, в деяких роботах - протягом декількох днів) охолоджувати пробірку до кімнатної температури (ця процедура називається «отжиг», annealing). При цьому повільному охолодженні, коли температура виявляється досить низькою, поступово утворюються потрібні нам дволанцюжкові структури. В оригінальній роботі в кожному експерименті приблизно 70% молекул успішно збиралися в потрібну структуру, решта мали дефекти.
Далі, після того, як структура розрахована, непогано б довести, що вона збирається саме так, як треба. Для цього найчастіше використовують атомно-силову мікроскопію, яка якраз прекрасно показує загальну форму молекул, але іноді використовують і cryo-EM (електронну мікроскопію). Автор зробив безліч веселих форм з ДНК.
Малюнок 7 - приклади ДНК - орігамі.
. 2 тривимірну структуру ІЗ ДНК
Після того, як розібралися з конструюванням складних плоских об'єктів, чому б не перейти до третього виміру? Тут піонерами була група хлопців з Інституту Скріппса в Ла-Холі, Каліфорнія, які в 2004 році придумали, як з ДНК зробити нано - октаедр. Хоча ця робота і зроблена на 2 роки раніше плоского ДНК-орігамі, в той раз було вирішене лише окремий випадок (отримання октаедра з ДНК), а в роботі з ДНК-орігамі було запропоновано спільне рішення, тому саме робота 2006 року по ДНК-орігамі вважається основоположною.
Октаедр був зроблений з одноцепочечной молекули ДНК довжиною приблизно 1700 нуклеотидів, що має комплементарні області і до того ж скріпленої п'ятьма 40-нуклеотидними ДНК-адаптерами, в результаті був отриманий октаедр з діаметром 22 нанометра.
Малюнок 8 - отриманий октаедр з ДНК.
У 2009 році вчені з Бостона і Гарвардського Університету опублікували принципи побудови тривимірного ДНК-орігамі, як вони самі кажуть, за подобою бджолиних сот. Одне з досягнень цієї роботи - люди написали open-source програму caDNAno для конструювання тривимірних структур ДНК (вона працює на Autodesk Maya). З цією програмою навіть неспеціаліст може зібрати потрібну структуру з готових блоків з використанням простенького графічного інтерфейсу, а програма розрахує необхідну послідовність ДНК [26].
ВИСНОВОК
У роботі дано подання про основні напрямки нанотехнології. Також увага приділена створенню наноструктур на основі біологічних молекул, зокрема нуклеїнових кислот. Виходячи з фізико-хімічних властивостей молекул дволанцюжкових нуклеїнових кислот, розглянуті дві стратегії створення наноконструкцій на їх основі. В основі першої з них лежить уявлення про Ентропійно впорядкування сусідніх молекул нуклеїнових кислот; в основі другої - уявлення про ентальпійного впорядкування молекул нуклеїнових кислот, негативні заряди фосфатних гру...
