Ученые из Института биологически вдохновленного проектирования Вайсса (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) Гарвардского университета разработали технологию изготовления крошечных кристаллических наноструктур, выступающих в роли своего рода строительных «кирпичиков», похожих на блоки конструктора Лего, используемых для создания более крупных объемных наноструктур. Эти «кирпичики», в свою очередь, используются в качестве строительного материала для процесса самосборки более больших структур, процесса, который идет по заданной заранее программе и в котором используются принципы, подобные принципам формирования молекул ДНК из определенного набора молекул-оснований.

Используя специально подготовленные наборы «строительного материала», в состав которого входили «кирпичики» 32 различных типов, ученым удалось собрать около 100 видов сложных трехмерных структур, размеры которых сопоставимы с размерами не самых маленьких вирусов.

И такой размер созданных наноструктур приблизительно в 1000 раз больше размеров наноструктур, создаваемых ранее при помощи других ДНК-методов.

Технология самосборки наноструктур из «кирпичиков» достаточно точно скопирована с принципов сцепления блоков конструктора Лего.

Основу этой технологии составляют правила, по которым строятся молекулы ДНК, цепочки которых состоят из пар молекул-оснований, A (аденин) связывается только с Т (тимин), в то время как С (цитозин) связывается только с G (гуанин). Каждый ДНК-кирпичик создается методом объединения множества оснований, расположенных перпендикулярно друг другу, а местоположение и последовательность сцепки оснований и определяет роль этого кирпичика в процессе самосборки будущей большой структуры.

Каждый ДНК-кирпич имеет форму куба, длина грани которого равна длине шести сцепленных оснований. Весь кубический объем кирпичика заполнен «спиралью» из сцепленных 24 оснований, последовательность которых и определяет с каким именно другим кирпичиком может сцепиться этот кирпичик. Однако, в качестве дополнительных конструкционных элементов ученые используют и ДНК-кирпичики других типов, «одномерные» Z-кристаллы и X-кристаллы, которые вытянуты вдоль осей Z и X, и «двухмерные» ZX-кристаллы и XY-кристаллы.

Специализированная компьютерная программа, разработанная учеными, позволяет начертить модель наноструктуры, имеющей форму практически любой сложности, которую потребуется затем построить методом самосборки.

Дальнейшие несложные расчеты при помощи этой программы позволяют разбить эту модель на элементарные блоки и рассчитать последовательность ДНК-цепочек для каждого кирпичика, что позволит определить правильную последовательность процесса самосборки.

Максимальные размеры создаваемых в программе наноструктур составляют сейчас порядка 80 нанометров, но в будущем эти размеры могут быть увеличены чуть ли не до бесконечности, если в этом возникнет необходимость.

Исследователи считают, что

разработанная ими технология самосборки из ДНК-кирпичиков окажется полезной для разработки технологий изготовления универсальных неорганических схем различного назначения и других наноразмерных технологий. Кроме этого, технология может быть использована в так называемой белковой кристаллографии, области, где с атомарной разрешающей способностью изучаются структуры и свойства различных белков, используемых в биотехнологиях, в производстве фармацевтических препаратов и в академической области структурной биологии.

«Разработанная нами ДНК-технология позволяет нам запрограммировать создание сложных объемных структур, узлов сложных молекулярных машин и таких машин целиком» – рассказывает Уильям Ших (William Shih), один из участников данных исследований, – «А сложность создаваемых таким образом объектов не уступает, а зачастую и превосходит сложность подобных объектов естественного происхождения».