Химики из Технологического университета Мюнхена разработали новую модификацию техники ДНК-оригами, в которой в роли скрепок выступают белковые фрагменты. По словам исследователей, это расширяет возможности самосборки ДНК — традиционные методики требуют в качестве основы длинную одноцепочечную молекулу, в то время как в живых организмах чаще встречаются двойные спирали ДНК, с которой может работать новая методика. Ученым удалось создать жесткие наночастицы в виде изогнутых линий, квадратов, кругов и каркасов. Исследование попало на обложку журнала Science.

ДНК-оригами — это техника «складывания» одной длинной одноцепочечной молекулы ДНК в сложные фигуры заранее известной формы, например, листы, коробочки, «смайлы», ножницы и так далее. В ее основе лежит принцип комплементарности: в цепочках ДНК встречаются четыре вида «бусин»-азотистых оснований, способных строго определенным образом формировать между собой пары. Именно образование пар обеспечивает существование известной двухцепочечной спирали ДНК, в которой напротив «бусины»-тимина находится аденин, а напротив гуанина — цитозин.

Схема складывания двухцепочечной спирали ДНК с помощью белковых «скрепок». Florian Praetorius, Hendrik Dietz / Science, 2017

Техника ДНК-оригами устроена довольно просто. К очень длинной молекуле ДНК подбирают короткие ДНК-«скрепки»: половина «скрепки» комплементарна одному участку исходной молекулы, половина — другому. Правильный набор таких «скрепок» склеивает между собой нужные фрагменты большой молекулы и она складывается необходимым ученым образом.

Однако в живых организмах очень редко можно встретить длинные одноцепочечные молекулы ДНК — они встречаются, например, в некоторых вирусах. Кроме того, процесс самосборки требует повышенных температур, не совместимых с жизнедеятельностью большинства организмов.

Схема сворачивания ДНК с помощью TAL-белков. Florian Praetorius, Hendrik Dietz / Science, 2017

Авторы новой работы предложили переосмыслить оригинальную методику, заменив «скрепки» из ДНК на специальным образом подобранные белковые молекулы. В их основе лежат TAL — эффекторы, похожие на активаторы транскрипции. Эти белки вырабатываются патогенными бактериями растений. Они способны контролировать экспрессию (синтез белков) с определенных генов, присоединяясь к их промоторам (участкам для начала транскрипции), обхватывая двухцепочечную спираль целиком. Эти белки были выбраны потому, что ученым очень хорошо известно, какую аминокислоту и в каком положении нужно изменить, чтобы белок начал «узнавать» требуемую пару нуклеотидов. TAL обладают модульной структурой: они состоят из нескольких повторяющихся частей, каждая из которых «узнает» свою пары оснований ДНК.

Ученые создали «скрепку» из двух молекул TAL-белков, соединенных между собой специальным мостиком. Для проверки работоспособности подхода авторы разработали 12 различных «скрепок», которые могли узнавать 24 специфических участка молекулы ДНК и провели успешную самосборку нескольких тестовых структур.

Структуры, которые удалось собрать авторам на основе 12 белковых «скрепок» и молекулы ДНК. Florian Praetorius, Hendrik Dietz / Science, 2017

Для самосборки в физиологической среде исследователииспользовали плазмиды — короткие цепочки ДНК, кодирующие TAL-белки. Ученые поместили плазмиды,соответствующие 12 «скрепкам» в среду, содержащую рибосомы, аминокислоты, транспортныеРНК, кофакторы и другие необходимые вещества, наряду со складываемойдвухцепочечной молекулой ДНК. Всего  шести часов при комнатной температуре хватилодля того, чтобы образовать требуемые структуры. Их исследовали с помощьюпросвечивающего электронного микроскопа.

Самосборка на основе плазмид, кодирующих «скрепки», звездочками на микрофотографии обозначены рибосомы. Florian Praetorius, Hendrik Dietz / Science, 2017

Авторы подчеркивают, что «скрепки» можно разработать для любой требуемой последовательности пар в ДНК. Кроме того, существующие техники позволяют массово производить компоненты для таких наноразмерных комплексов. Среди возможных применений обновленной методики ДНК-оригами — создание платформ для направленной доставки лекарств.

Ранее, с помощью традиционной методики ДНК-оригами, израильские ученые разработали «нанороботов» для доставки лекарств, управляемых силой мысли. Кроме того, с помощью этой техники можно создавать масштабные упорядоченные объекты, например, химики из Калифорнийского технологического института воспроизвели с ее помощью картину Ван Гога «Звездная ночь».

Автор: Владимир Королёв