Химики из Технологического университета Мюнхена и Научного института Вайзманна (Израиль) разработали новый подход к самосборке молекул ДНК в крупномасштабные объекты. Авторам удалось создать из массива молекул линейные и ветвистые волокна с диаметром около 20 нанометров и длиной до 70 микрометров. Ученые отмечают, что разработанный метод позволяет даже решать некоторые вычислительные задачи, такие как, например, выход из лабиринта. Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology, кратко о нем сообщает пресс-релиз университета.

Две двухцепочечные спирали ДНК, за редким исключением, не стремятся сблизиться между собой. Этому мешает электростатическое отталкивание их остовов — длинных цепочек из молекул сахаров и отрицательно заряженных остатков фосфорной кислоты. Поэтому в растворе молекулы занимают много места и отталкиваются между собой. Однако в ряде случаев ДНК должна становиться компактной — к примеру, в головке сперматозоида. Для этого существуют специальные механизмы. 

Авторы воспользовались одним из таких механизмов для того, чтобы обеспечить склеивание между собой большого количества цепочек ДНК. На первом этапе химики подготовили поверхность, протравив на ней тонкие (несколько нанометров) дорожки. На эти дорожки с помощью молекул-соединителей поместили цепочки ДНК, закрепив их только одним концом. В растворе молекулы начали отталкиваться друг от друга, а осмотическое давление заставило их вытянуться, образовав длинную «щетку», каждая щетина которой — молекула ДНК микрометровой длины.

Пример решения задачи о поиске пути в лабиринте с помощью нитей ДНК. Günther Pardatscher et al. / Nature Nanotechnology, 2016

На следующем этапе авторы добавили к раствору вещество под названием спермидин. Оно представляет собой небольшую органическую молекулу, содержащую три положительно заряженные (протонированные) аминогруппы. Спермидин может выступать в качестве клея, обеспечивающего сцепление между остовами ДНК. 

Схема превращения «щетки» в нити (сверху). Снизу — нити, образующиеся при различной толщине дорожек. Günther Pardatscher et al. / Nature Nanotechnology, 2016

Добавление спермидина запускало процесс, похожий на падение цепочки домино — первая молекула ДНК связывалась к соседней, притягиваясь к ней, та — с третьей и так далее. В результате на подложке образовывались длинные нити, состоящие из коротких фрагментов биомолекул. Если химики формировали дорожки с разветвлениями, то домино-эффект приводил к тому, что нити образовывались по всему протяжению дорожек. В некоторых случаях наблюдались разрывы нитей.

Авторы предположили, что такое поведение можно использовать для решения вычислительных задач, таких как поиск выхода из лабиринта. Ученые создавали лабиринт дорожек между двумя поверхностями, на которых ДНК были размещены равномерно (по всей площади). Он состоял из большого количества разветвлений и тупиков, кроме того в нем был единственный «правильный» путь от входа к выходу. Добавление спермидина вызывало формирование разветвленных нитей на поверхностях, одна из которых упиралась в начало лабиринта. В 25 процентах случаев нити выстраивали в лабиринте «правильный» путь, без разрывов, остальные ответвления содержали в себе разрывы. Еще в 75 процентах случаев возникали дополнительные источники эффекта домино (не у входа в лабиринт), что не позволяло выстроить «правильный» путь.

Ученые отмечают, что переход ДНК от состояния «щетки» к состоянию нити похож на фазовые переходы между разными состояниями вещества (например переход олова на холоду из обычной металлической формы в серую, с меньшей плотностью). Такие переходы представляют собой фундаментальный интерес. Кроме того, переход от «щеток» к нитям можно использовать как логическое реле на биочипах.

Традиционная методика самосборки объектов из ДНК — ДНК-оригами. Она заключается в подборе коротких молекул, склеивающих между собой отдельные части длинной одноцепочечной молекулы ДНК. В ее основе лежит образование классических пар между азотистыми основаниями молекулы. В отличие от новой работы, с помощью ДНК-оригами создают объекты размером лишь в десятки нанометров.

Автор: Владимир Королёв