Инженеры создали подвижные нанопленки на основе ДНК
Tae Soup Shim et al. 2016
Инженеры из Песильванского университета создали подвижные нанопленки, работающие на основе специфической гибридизации молекул ДНК. Управлять их движением можно, добавляя к ним цепочки ДНК, комплементарные ДНК, входящей в состав пленки. Статьяопубликована в журнале Nature Nanotechnology.
Молекула ДНК состоит из двух цепей, на каждой из которых находятся азотистые основания четырех типов: тимин, аденин, цитозин и гуанин. Азотистые основания обеспечивают связь между цепями, которая осуществляется по принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, а гуанин — с цитозином. Такое специфическое связывание (специфическая гибридизация) цепочек ДНК может использоваться для создания механизмов, меняющих форму в ответ на воздействие молекул ДНК и приводящих в движение различные микроскопические устройства.
Авторы статьи продемонстрировали работу этого принципа на примере созданных ими тонких пленок, которые состоят из золотых наночастиц, соединенных друг с другом мостиками из одноцепочечных молекул ДНК. Эти пленки состоят из нескольких слоев, каждый из которых образован мостиками ДНК с разными последовательностями. При добавлении ДНК, комплементарной каким-либо из этих последовательностей, в содержащий пленку раствор она меняет форму: сгибается, сворачивается или даже переворачивается. Это происходит за счет специфической гибридизации молекул ДНК, встроенных в пленку, с молекулами ДНК, добавленными в раствор. Двухцепочечная ДНК всегда длиннее одноцепочечной молекулы с тем же числом оснований, поскольку двухцепочечная ДНК более жесткая, а одноцепочечная — более гибкая. И хотя при растягивании одноцепочечная молекула ДНК будет длиннее двухцепочечной, в растворе она спутывается и становится короче. В результате при образовании двухцепочечной ДНК мостик в пленке удлиняется, а материал пленки расширяется. При этом нужно отметить, что такое свойство ДНК можно использовать только для расширения материала пленки, но не для его сжатия.
Движения пленки и ее частей можно контролировать, добавляя к ней молекулы ДНК с различными последовательностями, комплементарными различным участкам пленки. Например, если добавить молекулы ДНК, комплементарные одному слою пленки, то пленка свернется в «рулон». Авторы предусмотрели также способ вернуть такой свернутой пленке исходную форму. Для этого они оставили у молекул ДНК, которые при добавлении в раствор приводят к сворачиванию пленки, «хвостики», некомплементарные ДНК-мостиками внутри пленки. При добавлении к свернутой пленке молекул ДНК, комплементарных этим «хвостикам», формируются новые двухцепочечные молекулы, которые разрушают старые связи. Комплементарные мостикам молекулы ДНК отрываются, мостик снова становится коротким, и пленка возвращается к исходной форме.
Схема сворачивания и разворачивания пленки
Tae Soup Shim et al. 2016
Поделиться
По словам авторов, уникальность таких пленок заключается в их высокой специфичности. В отличие от устройств, реагирующих на изменения температуры или кислотности, пленки реагируют только на определенные последовательности ДНК, комплементарные входящим в их состав мостикам, и игнорируют все другие молекулы ДНК. В будущем такие пленки можно будет использовать, например, во внутриклеточных диагностических устройствах, которые будут сообщать об изменениях экспрессии генов.
Принцип комплементарности ДНК лежит также в основе ДНК-оригами — техники, позволяющей создавать из длинных молекул ДНК нанообъекты с запрограммированными свойствами: формой и расположением функциональных участков. Эта техника использовалась, например, для преодоления лекарственной устойчивости рака крови, создания молекулярных «клиньев», способных сближать и удалять молекулы на заданное расстояние с точностью до 0,4 ангстрем, и разработки нанороботов, которые позволяют управлять доставкой лекарств силой мысли.