Кіріспе

ДНК-ны наноөлшемде екі және үш өлшемді пішіндерге бүктеу – ДНК-ны наноөлшемде кез келген екі және үш өлшемді пішіндер жасау үшін бүктеу процесі. Толықтыратын негіз жұптарының өзара әрекеттесуінің нақтылығы, ДНК-ны оның негіз тізбектерін жобалау арқылы пайдалы құрылыс материалына айналдырады. ДНК – басқа молекулаларды бекітуге арналған мұқтаждарды немесе дербес құрылымдарды жасауға жарамды жақсы зерттелген материал. ДНК оригами 2006 жылғы 16 наурызда «Nature» журналының мұқабасында жарияланды. Одан бері ДНК оригами өнерден асып, дәрі-дәрмек жеткізу жүйелерінен бастап плазмоникалық құрылғылардағы тізбектерге дейін көптеген қолданыстар тапты. Алайда, көптеген коммерциялық қолданыстар әлі де идея немесе сынақ сатысында қалып отыр.

Шолу

ДНК-ны құрылыс материалы ретінде пайдалану идеясын алғаш рет 1980 жылдардың басында Надриан Симан енгізді. ДНК-оригами әдісін Калифорния технология институтында Пол Ротемунд әзірледі. 3D-басып шығару немесе литография сияқты, құрал арқылы материалды қосу немесе алып тастауды қамтитын, дәстүрлі жоғарыдан төменге қарай жасалатын әдістерден айырмашылығы, ДНК нанотехнологиясы, сондай-ақ ДНК оригами – төменнен жоғарыға қарай жасалатын әдіс. ДНҚ полимерінің құрамдас бөліктерін дұрыс жобалау арқылы ДНҚ әртүрлі пішіндерге өздігінен жиналып құрылуы мүмкін. ДНК оригами құру процесінде вирустық ДНҚ-ның (әдетте M13 бактериофагының 7249 жұп негіздік геномдық ДНҚ-сы) бір ұзын тізбегіне бірнеше кішірек "тіреу" тізбектерінің көмегімен түйіндеу жасалады. Бұл қысқа тізбектер ұзын тізбекті әртүрлі жерлерде байланыстырып, алдын ала белгіленген екі немесе үш өлшемді пішіннің қалыптасуына әкеледі. Мысалдарға күлімдеген бет, Қытай мен Американың картасы, сондай-ақ куб сияқты көптеген үш өлшемді құрылымдар жатады. ДНК-ның ДНК оригами жасау үшін идеалды құрылыс материалы болуына себеп болатын бірнеше қасиеттері бар. ДНҚ тізбектері Уотсон-Крик жұптары арқылы өздеріне толықтыратын тізбектерге байланысуға табиғи бейімділікке ие. Бұл тіреу тізбектеріне сыртқы араласусыз, тіреу тізбегіндегі орнын табуға мүмкіндік береді, нәтижесінде қажетті құрылым өздігінен жиналып құрылады. ДНҚ-дағы негіздердің нақты реті, материалға байланысу мінез-құлқы арқылы бағдарламалану мүмкіндігін береді. Тіреу тізбектерінің тізбегін мұқият жобалау ғалымдарға тіреу тізбегінің түйінделуін жоғары дәлдікпен алдын ала белгіленген пішінге бағыттауға мүмкіндік береді. Химиялық деңгейде, толықтыратын негіз жұптары арасындағы сутек байланыстары бүктелген ДНК оригами құрылымдарына беріктік пен тұрақтылықты қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, ДНҚ физиологиялық жағдайларда тұрақтылықты қамтамасыз ететін салыстырмалы түрде тұрақты молекула болып табылады. Кейбір басқа ДНҚ наноқұрылымдарын жобалауда, егер бүкіл құрылым кішігірім тізбектерден тұрса, өте көп сандағы жекеленген тізбектерді жобалау қиын болуы мүмкін. Көптеген әртүрлі тізбектерді пайдалану қажеттілігін жоюдың бір жолы қайталанатын бірліктерді пайдалану болып табылады, бірақ бұл өлшемдер мен кейде пішіндердің әртүрлі болуына әкеледі. ДНК оригами болса, дискретті құрылымдарды құрайды. Бұл әдістер ең көп қолданылатын болса да, динамикалық ДНК оригами машиналарын жасау үшін қосымша әдістер бар, мысалы, бағыттаушы компонентті жобалау және құрылымдардың айналу қозғалысын қамтамасыз ету үшін Браун қозғалысын пайдалану немесе G квадроплекстері немесе i мотивтері сияқты, жиі қолданылмайтын ДНҚ өздігінен жиналып құрылу құбылыстарын пайдалану, олар pH-қа сезімтал болуы мүмкін. Құрылымдық қасиеттерге әсер ету, наноқұрылымдарға бірегей химиялық қасиеттер беру немесе наноқұрылымдарға ынталандыру реакцияларын қосу үшін басқаша модификациялар қолданылуы мүмкін. Құрылымдарға ақуыздар сияқты молекулаларды конъюгациялау арқылы немесе ДНҚ негіздерінің өзін химиялық түрлендіру арқылы өзгерістер енгізілуі мүмкін. pH-қа тәуелді реакциялар, жарыққа тәуелді реакциялар және басқалары модификацияланған жүйелер арқылы көрсетілді. Динамикалық құрылымдарды құрудың бір мысалы – бірнеше топтар ұсынған, дәрі-дәрмекті босатуға әкелетін ынталандыруға жауап беру қабілеті. Басқа, сирек кездесетін қолданыстар тірі организмдердегі қозғалыс механизмдерін, мысалы, геликазаның ажырауын сезінуге мүмкіндік береді.

Нанотехнологияның қолданылуы

Әдебиетте көптеген әлеуетті қолданулар ұсынылды, оның ішінде ферменттерді бекіту, дәрі-дәрмектерді жеткізу жүйелері және материалдарды нанотехнологиялық өздігінен құрастыру. ДНК нанороботикалық қолданыстар үшін белсенді құрылымдарды салуға табиғи таңдау болмаса да, оның құрылымдық және каталитикалық мүмкіндіктерінің жетіспеуіне байланысты, бірнеше зерттеулер оригамидегі молекулалық қозғалыстар мен алгоритмдік есептеулерге арналған коммутаторлардың мүмкіндіктерін қарастырды. Келесі абзастарда клиникалық әлеуеті бар зертханаларда жүргізілген кейбір хабарланған қолданулар тізімі келтірілген. Орхус университетінің iNANO және CDNA орталықтарының ғалымдары кішкентай, көп ауыстырылатын 3D ДНК қорап оригамиін құрастырды. Ұсынылған нанобөлшектің сипаттамалары AFM, TEM және FRET арқылы жасалды. Құрастырылған қораптың бірегей қайта жабылу механизмі бар екені көрсетілді, ол оған ДНК немесе РНК кілттерінің ерекше жиынтығына жауап ретінде қайта-қайта ашылуына және жабылуына мүмкіндік берді. Авторлар бұл "ДНК құрылғысын жеке молекулалардың функциясын бақылау, дәрі-дәрмектерді бақыланатын жеткізу және молекулалық есептеу сияқты кең ауқымды қолданулар үшін пайдалануға болады" деп ұсынды. Гарвард университетінің Висс институты және Бар-Илан университетінің Нанотехнология және озық материалдар институтының биоинженерлер тобы ДНК оригамиінен жасалған нанороботтар есептеу қабілеттерін көрсетті және тірі организмнің ішінде алдын ала бағдарламаланған тапсырмаларды орындады. Дәлелдеу үшін команда тірі тарақандарға әртүрлі нанороботтарды (флуоресцентті маркерлері бар молекулаларды қоршап тұрған иілген ДНК) енгізді. Тарақандардың ішіндегі маркерлерді қадағалау арқылы команда молекулалардың (иілген ДНК арқылы босатылған) мақсатты жасушаларға жеткізілуінің дәлдігін, нанороботтар арасындағы өзара әрекеттесуді және басқаруды компьютерлік жүйеге тең екенін анықтады. Логикалық операциялардың, шешімдер мен әрекеттердің күрделілігі нанороботтардың санының артуымен артады. Команда тарақандағы есептеу қуаты 8 биттік компьютерге дейін масштабталуы мүмкін деп бағалады. Үндістан Ғылым институтының зерттеу тобы ДНК негіздері арасындағы коаксиалды үйлесімді түсіндіру үшін наноқұрылымдарды пайдаланып платформа әзірледі. Бұл тәсіл осы ДНК наноқұрылымдарын визуализациялау үшін ДНК PAINT негізделген суперрезолюциялық микроскопияны пайдаланды және ДНК қос спиральді құрылымын тұрақтандыруға көмектесетін негізді үйлесімнің негізгі күшін түсіндіру үшін ДНК байланысу кинетикасын талдады. Олар "үш нүктелі жұлдыз" деп аталатын мультимерлік ДНК оригами наноқұрылымдарын тетраэдрлі 3D оригами құрылымына біріктірді. Құрастыру негізінен әрбір бөлімше арасындағы негіздік үйлесім өзара әрекеттесуіне негізделді. Топ осы өзара әрекеттесулер туралы білімді осы мультимерлік ДНК наноқұрылымдарының салыстырмалы тұрақтылығын болжау және реттеу үшін пайдалануға болатынын көрсетті.

Ұқсас тәсілдер

Сонымен қатар, ДНК оригами сияқты мақсаттарға жету үшін ақуызды жобалауды пайдалану идеясы да пайда болды. Словенияның Ұлттық химия институтының зерттеушілері ақуыздың бүктелуін рационалды жобалау арқылы ДНК оригамиде көрінетіндей құрылымдар жасау жұмыстарын жүргізуде. Ақуызды бүктеу жобасындағы қазіргі зерттеулердің басты назары дәрі-дәрмектерді жеткізу саласында, мақсатты тасымалдау құралын жасау үшін ақуыздарға бекітілген антиденелерді қолдануға бағытталған.