Прямоугольные полые коробочки с подвижными крышками на петельках, замками и ключами — таково новое достижение современных Левшей. Впрочем, к ловкости рук и острому глазу новинка не имеет никакого отношения. Потому что ни одним инструментом такие изделия не вырезать: коробочки-то по размеру сопоставимы с вирусами. Как же их собрали? А никак — они сами собрались.

42 х 36 х 36 нанометров — таковы размеры шкатулок, изготовленных международной группой исследователей, которую возглавляет Йорген Кьемс (Jørgen Kjems) из института молекулярной биологии университета Орхуса (Molekylærbiologisk Institut) и датского национального центра ДНК-нанотехнологий (CDNA).

Если не знать «шкалу» данного изображения, можно подумать, что перед нами несколько бабушкиных шкатулок, в которых она хранила фамильные драгоценности. Однако объекты на этом рисунке – молекулярного масштаба (иллюстрация Ebbe Sloth Andersen).

Чтобы длинные цепи ДНК собрались в желаемую форму, исследователи использовали естественную «тягу» этих молекул к формированию двойных спиралей и скручиванию (сгибанию) участков цепи в зависимости от конкретной последовательности оснований и присутствия в тех или иных местах комплиментарных молекул.

А точнее: учёные решили перепроектировать генетическую последовательность, взятую у фага, чтобы получить цепочку с желаемыми свойствами. Для этого они разработали целую программу, которая автоматически составляет последовательность генетических «буковок», исходя из намеченной формы будущего изделия.

Та же программа подбирает к этой «выкройке» и «скрепки-заколки» — порядка 250 олигонуклеотидов, которые за счёт сил межмолекулярного взаимодействия должны заставить большую ДНК сложиться, словно оригами.

«Поразительно, что это работает, — говорит Кьемс. — Это как разобрать машину на детали, после чего поместить все гайки и болты в мешок, встряхнуть его, и машина сама соберётся обратно».

Все стенки коробочек составлены из последовательно сложенной единой нити ДНК. Исследователи говорят, что самая сложная часть работы – правильно составить генетическую последовательность. Дальше авторы просто брали нужные олигонуклеотиды у поставщиков, смешивали их в растворе с длинными нитями ДНК, сгенерированными в большом количестве «подневольными» вирусами, и наблюдали.
За час или два армия олигонуклеотидов сшивала ДНК в плоские листы, а затем составляла их по шесть вместе, формируя коробку с крышкой. Да не одну. За один раз в пробирке образовывались сразу миллиарды таких ящичков. Слева показаны некоторые из них, отснятые при помощи криоэлектронной томографии, справа – схема коробочки (фото Ebbe S. Andersen, Aarhus University, иллюстрация с сайта cdna.dk).

Собственно, описанный метод так и называется — «ДНК-оригами» (DNA origami).

Подобную самосборку цепочек «молекул жизни» в спроектированные структуры не первый год изучают несколько научных групп в разных странах. Детали работ разнятся, но общий подход похож. И уже ранние успехи на этом поприще впечатляли: к примеру, в 2006-м американские учёные собрали из ДНК карту Америки и 50 миллиардов смайликов. Но то были двухмерные композиции.

Спрашиваете, что положить в такие шкатулки? Мыслите шире! При помощи ДНК-оригами можно создавать едва ли не любые наномеханизмы с программируемыми свойствами – уверен Йорген Кьемс, разместивший вместе с соавторами статью о своём достижении в Nature (фото с сайта rnai.dk).

Позднее некоторые лаборатории показали и первые трёхмерные «скульптуры» из ДНК. Но группа Кьемса не просто вышла в 3D. Её изделие отличают от предшественников твёрдость (или жёсткость) стенок и наличие подвижных деталей.

«Это довольно красивые молекулярные структуры, — прокомментировал работу коллег профессор Джон Райф (John Reif) из университета Дюка. — И это первая наноструктура, которая имеет программируемую и контролируемую крышку».

Защёлки на крышке — это пара дополнительных коротких цепочек ДНК. Они закрепляются на одном из рёбер шкатулки, удерживая крышку в закрытом состоянии. Чтобы открыть её, нужно добавить к замочкам новые ДНК-фрагменты — точно подходящие ключи. Их взаимодействие с замками приводит к распахиванию коробочки.

На том же ребре (точнее — на краю крышки и на краю прилегающей к ней стенки) исследователи поместили флуоресцентные маркеры — молекулы красителя, которые светятся красным, когда находятся вблизи друг от друга, и зелёным — когда расходятся на некоторое расстояние. Это позволяет просто контролировать состояние шкатулки (открыта или закрыта), наблюдая за свечением индикатора в микроскоп.

На этой схеме ДНК-коробки оранжевым и синим цветами показаны замки, а также ДНК-ключи, отпирающие их. Звёздочка – меняющий цвет флуоресцентный маркер, сигнализирующий о подъёме крышки (иллюстрация Ebbe S. Andersen, Aarhus University).

Внутри такой коробочки может поместиться одна рибосома — фабрика по производству белков. Или там можно разместить набор лекарственных препаратов, или небольшой вирус. А главное — выпуском этих «сокровищ» в нужной части тела могут заведовать те самые замки, настроенные на касание определённых биомаркеров — молекул на поверхности раковых клеток, например. Или замки, настроенные на открытие в присутствии определённых белков (синтезируемых вирусами, заразившими больного).

В общем, программируемая ДНК-шкатулка — заманчивый способ точечной доставки каких-либо лечебных средств, от химических препаратов до генетически модифицированных объектов.

Программа, созданная в CDNA, знает, какие молекулы, составляющие ДНК, притягиваются друг к другу, а какие – отталкиваются. Человек закладывает в машину желаемую форму наноизделия, а компьютер подбирает последовательность, которая сворачивалась бы должным образом (иллюстрация с сайта cdna.dk).

Пол Роземунд (Paul Rothemund) из Калифорнийского технологического не принимал участие в нынешней работе, но является одним из пионеров в области ДНК-оригами (те самые 50 миллиардов смайликов — его рук дело). Пол с интересом воспринял достижение коллег и отметил, что реальная трудность заключается не в проектировании объекта, а в доказательстве, что он успешно сформирован, для чего необходимо применять различные методы визуализации.

«Коллеги провели очень убедительную работу, свидетельствующую о том, что они действительно сделали то, о чём сказали. Это важно, — говорит Пол. — А теперь они свободны и попытаются разработать и получить на самом деле что-то необычное».

Одновременно Роземунд заметил, что транспортные возможности шкатулок ещё нужно будет проверить. Действительно ли они герметично закрываются, какие молекулы (объекты) они способны подолгу удерживать в себе? На эти вопросы пока нет ответов. Так же как на вопросы: что будет происходить с ящичками не в пробирке, а внутри тела, как долго они будут там оставаться, безопасны ли они для организма?

В прошлом году группа учёных из Дании (включавшая всё того же Кьемса) построила при помощи своей оригинальной программы микроскопического дельфина. Разумеется, из свёрнутой цепи ДНК. Причём исследователи показали, что их софт позволяет вручную редактировать проект, меняя режим полимеризации биомолекул, тем самым задавая угол отклонения дельфиньего хвоста.

Вверху показан условный проект, внизу – реальные ДНК-дельфины, отснятые при помощи атомного силового микроскопа. Кстати, дельфины нарисованы на фирменном знаке университета Орхуса, где и работает Кьемс. Как тут не вспомнить ДНК-герб Кембриджа (фото Ebbe Sloth Andersen et.al.).

Если ответы окажутся благоприятными — возможности открываются колоссальные. Программируемые крышки придают ДНК-шкатулкам уникальные свойства. По словам Пола, никакие другие известные схемы нанокапсулирования не дают людям таких перспектив. А Кьемс добавляет, что число различных замков, которые можно приложить к одной такой коробочке, можно довести до восьми, тем самым усложняя условия открытия шкатулки на месте событий.

Но транспорт внутри организма — не единственное возможное приложение ДНК-коробок. По словам Йоргена, из таких шкатулок, по идее, можно собрать целый ДНК-компьютер. Ведь крышки с их сдвоенными замками, реагирующими на определённые ДНК-ключи, причём открывающиеся только в присутствии двух определённых молекул (как сейф с двумя личинками), представляют собой готовые логические устройства, из которых можно собирать вентили НЕ, ИЛИ и так далее.

Самосборка таких комплексов, просто «высыпанных» в раствор, завораживает. На что ещё у людей достанет фантазии?

«Вот сейчас действительно пора начать думать, для чего вы можете использовать эту технологию», — радуется Кьемс.