Самособирающиеся наноструктуры: от молекулярной липучки до сложных объектов

Исследователи разработали строительные «наноблоки» на основе ДНК, которые могут самособираться, образуя сложные структуры, такие как наноконтейнеры и небольшие нанометрические объекты. Метод основан, в частности, на естественной способности ДНК к сворачиванию, что позволяет создавать универсальные и настраиваемые наноструктуры. Это может открыть путь для различных применений, особенно в биотехнологии и электронике.

ДНК является прекрасным материалом для самосборки наноструктур благодаря наличию специфических мест связывания, а также легкости синтеза и химической модификации. Один из наиболее перспективных подходов — «ДНК-оригами», основанный на естественной способности нитей складываться. Длинные одноцепочечные ДНК складываются и собираются в сшитые наноструктуры, используя более короткие нити в качестве скрепок для формирования двухспиральных ДНК.

Однако практическое применение ДНК-оригами ограничено по мере увеличения длины и сложности наноструктур. Длина нитей, используемых для складывания, обычно не превышает 10 000 нуклеотидов. Исследования показали, что оригами-сборка субъединиц ДНК может стать ключом к преодолению этого ограничения. Однако этот подход дает низкий выход двумерных наноструктур, а трехмерным не хватает стабильности.

С другой стороны, существующие подходы обычно опираются на фиксированные связи между субъединицами для достижения высокого уровня стабильности. Однако для реконфигурации наноструктур требуется высокий уровень гибкости и легко перепрограммируемые модули.

Чтобы преодолеть эти трудности, команда из Наноинститута при Сиднейском университете (Австралия) предлагает модульные ДНК-«воксели» с внутренними и внешними связями, которые можно переключать между неактивным, жестким и гибким состояниями. Воксели являются трехмерными, в отличие от пикселей, которые являются двумерными. Это позволяет создавать универсальные оригами из ДНК, способные самособираться в сложные трехмерные структуры.

Такая универсальность позволяет создавать высокопрограммируемые наноструктуры, приспособленные к выполнению определенных функций. По словам Шелли Викхэм (Shelley Wickham) из Сиднейского университета, соавтора исследования: «Полученные результаты немного напоминают те, что получаются при использовании детской инженерной игрушки Meccano. Но вместо того чтобы использовать металл или струны в макроскопическом масштабе, мы используем биологию в нанометрическом масштабе для создания роботов с огромным потенциалом».

Самостоятельная сборка блоков с помощью молекулярной липучки

Первый этап подхода, описанный в журнале Science Robotics, включает в себя изготовление вокселей из ДНК, выделенной из вируса-бактериофага. ДНК сворачивалась в цилиндры, образуя отдельные строительные блоки. Чтобы сформировать более крупные структуры, воксели самособираются с помощью более коротких синтетических нитей, которые выступают в качестве программируемых мест связывания в заранее определенных местах.

Исследователи синтезировали 300 таких коротких нитей, каждая из которых имела уникальную последовательность, чтобы они могли специфически связываться с соответствующими частями. «Эти участки действуют как липучки разных цветов, созданные таким образом, чтобы соединять только нити соответствующих цветов (по сути, комплементарные последовательности ДНК)», — объясняет ведущий автор исследования Минь Три Луу. Такой подход позволяет точно контролировать способ соединения вокселей, что дает возможность создавать настраиваемые наноструктуры.

Чтобы проверить эффективность и точность своей методики, исследователи создали более 50 нанометрических структур, включая дракона, динозавра и крошечную карту Австралии шириной всего 150 нанометров. Сложность этих структур требует компактных и гибких деталей, которые невозможно собрать случайным образом. «Наша работа иллюстрирует многообещающий потенциал ДНК-оригами для создания универсальных и программируемых наноструктур», — говорит Луу.

Наноструктуры, созданные исследователями в качестве доказательства концепции, и диаграммы, описывающие процесс сборки вокселей. © Сиднейский университет

Потенциальные применения в наномедицине и электронике

Технология может быть использована для создания наноконтейнеров, способных целенаправленно доставлять лекарственные препараты. В частности, их можно будет сконструировать таким образом, чтобы они реагировали на определенные биологические сигналы (температура, pH, уровень гормонов и т.д.), и лекарство доставлялось только один раз в целевую область. Такой подход может повысить эффективность лечения при минимизации побочных эффектов. Автономные нанороботы, предназначенные для обнаружения и уничтожения раковых клеток, также могли бы найти интересное применение.

В настоящее время исследователи изучают возможность создания новых вокселей, способных изменять свои свойства в ответ на раздражители окружающей среды. «Эта работа позволяет нам представить мир, в котором нанороботы могут выполнять широкий спектр задач, от лечения человеческого тела, до создания футуристических электронных устройств», — объясняет Уикхем.

Команда также исследует энергоэффективные методы обработки оптических сигналов. Используя свойства ДНК-оригами, этот подход может повысить скорость и точность обработки оптических сигналов, что откроет путь для новых технологий визуализации и обнаружения.

Видео, демонстрирующее воксели, которые самособираются, образуя наноразмерного «динозавра»:

Читайте все последние новости здоровья и медицины на New-Science.ru Читайте все последние новости технологии на New-Science.ru