сентябрь 2004
Нанотехнологии
НАНОТЕХНОЛОГИЯ И ДВОЙНАЯ СПИРАЛЬ
Нейдриен Симан
Цепи ДНК осуществляют самосборку в сложную структуру, когда последовательности их азотистых оснований выстроены так, что образуют пары со своими определенными партнерами. Здесь показана стержневая модель усеченного октаэдра, который имеет шесть квадратных и восемь шестиугольных граней. Грани имеют длину около 20 нанометров. Из каждого угла выступает короткая "шпилька для волос" из ДНК. При связывании усеченных октаэдров между собой "шпильки" могут изменяться; при этом формируются правильные трехмерные "строительные леса".
ДНК - это больше, чем только тайна жизни, - это также универсальный компонент для создания наноструктури наноустройств.
Более 50 лет назад Джеймс Ватсон и Фрэнсис Крик открыли двойную спиральную структуру молекулы ДНК и свели генетику к химии, наметив путь развития биологии на вторую половину двадцатого столетия. Сегодня тысячи исследователей расшифровывают генетические коды, записанные в ДНК.
Используя современные биотехнологические методы, мы можем создавать длинные молекулы ДНК с желаемой последовательностью функциональных блоков, реализуя возможности, не использованные природой в ходе развития жизни. Например, в 1994 г. Леонард Эдлиман (Leonard M. Adleman) из Университета Южной Калифорнии показал, что из ДНК можно сделать вычислительное устройство. Я же предлагаю обсудить другое небиологическое применение ДНК: создание структур и устройств из элементов размером от 1 до 100 нм - одним словом, использование ДНК в нанотехнологии.
Решетки из ДНК могли бы удерживать множество копий больших биологических молекул для определения их структуры методами рентгеновской кристаллографии - важный шаг в разработке лекарств. Кроме того, такие решетки могут служить строительными лесами, заготовками или операционными устройствами при создании наноэлектронных компонентов. Структура материалов, состоящих из ДНК или изготовленных с ее помощью, может быть выверена с молекулярной точностью. Движущиеся механизмы из ДНК могли бы выполнять функции наноскопических датчиков, переключателей, зажимов и других сложных робототехнических приспособлений.
СТРУКТУРА ДНК
ДНК - структура наноразмеров, состоящая из двух базовых цепей, составленных из групп фосфата и молекул сахара-дезоксирибозы, между которыми расположены комплементарные пары оснований (A и T; C и G), связанные слабыми связями (слева). Наиболее обычная конформация ДНК - это B-ДНК (в центре), которая закручена в правостороннюю двойную спираль диаметром около 2 нанометров. Один полный оборот спирали занимает приблизительно 3,5 нанометра, на которых помещается от 10 до 10,5 пар оснований. В особых условиях ДНК может образовывать левостороннюю двойную спираль, называемую Z-ДНК (справа).
Разветвленная ДНК
Наномасштаб - это масштаб размеров молекул. Типичная длина связи между двумя атомами составляет приблизительно 0,15 нм. Спираль ДНК диаметром примерно 2 нм делает полный оборот (шаг спирали) за 3,5 нм. На этом расстоянии помещаются приблизительно 10 пар оснований, образующих своеобразные перекладины лестницы ДНК (см. рис. вверху на стр. 25). Взаимодействие фрагмента ДНК с другими веществами зависит от последовательности составляющих его пар оснований. Поэтому отрезки ДНК можно использовать для распознавания некоторых молекул и для каталитического управления составом материалов. В генной инженерии широко применяются так называемые липкие концы ДНК, которые возникают, когда одна цепь спирали выступает на несколько неспаренных оснований за пределы другой (см. рис. внизу на стр. 25). Их липкость обусловлена склонностью выступающей части сцепляться с ответным участком другой цепи, на котором в соответствующем порядке расположены взаимно дополняющие (комплементарные) основания - аденит (A) образует пару с тиамином (T), а инозин (C) связывается с гуанином (G). (О другом применении этого свойства ДНК читайте в статье "Магия микрочипов", "В мире науки", пилотный номер, 2002 г.)
ОБЗОР: ДНК НАНОТЕХНОЛОГИЯ
ДНК - идеальная молекула для создания структур нанометровых размеров.
Создавая цепи с соответствующими комбинациями комплементарных (взаимодополнительных) оснований, которые преимущественно связываются между собой, образуя цепи двойных спиралей, цепи ДНК можно запрограммировать так, чтобы они самособирались в сложные структуры.
"Строительные леса" из ДНК могут удерживать молекулы - гости в регулярной решетке для целей кристаллографии. Они могут также поддерживать электронные устройства молекулярных размеров или использоваться для создания материалов с точно заданными молекулярными конфигурациями.
Машины нанометровых размеров из ДНК могут функционировать на основе того, что части их структуры изменяются при переходе от одной конформации ДНК к другой. Этими движениями можно управлять химическим путем или при помощи специальных цепей ДНК.
|
Природная ДНК представляет собой линейную цепь, которая годится только для создания нитей или петель, возможно, скрученных или завязанных узлом. Но простая цепочка - не единственная форма, которую может принимать ДНК. В ходе некоторых клеточных процессов ДНК на некоторое время превращается в разветвленную молекулу, например, при копировании в период подготовки к делению клетки и во время рекомбинации, когда соответствующие пары хромосом обмениваются генетическим материалом при формировании сперматозоидов и яйцеклеток.
Цепи ДНК взаимодействуют весьма программируемым образом. Их огромная изменчивость обеспечивает широкие возможности для конструирования молекул.
Ветви образуются в результате частичного расплетения спирали на две цепи. При дублировании каждая из них дополняется по всей длине соответствующими нуклеотидами и превращается в новую двойную спираль. (Нуклеотид - комбинация азотистого основания и соответствующего отрезка базовой цепи спирали.) Более интересен так называемый кроссовер, возникающий при рекомбинации, когда две части ДНК рвутся и частично расплетаются, а получившиеся четыре цепи соединяются наподобие перекрестка двух дорог.
Там, где во время рекомбинации каждая из четырех цепей переходит от одного партнера к другому, возникает точка разветвления. Она перемещается из-за двойной симметрии примыкающих оснований, благодаря которой каждая цепь может образовывать пару с любой из двух соседок. Когда в 1979 г. мы с Брюсом Робинсоном (Bruce H. Robinson) пытались описать природу этого движения, выяснилось, что синтетические молекулы ДНК, не обладающие такой симметрией, могут образовывать разветвленные молекулы с неподвижной точкой сочленения. Чтобы сконструировать подобный узел, нужно сделать четыре цепи ДНК, в каждой из которых последовательность оснований вдоль половины цепи соответствовала бы половине второй цепи, остальная часть - половине третьей (см. рис. внизу).
Самосборка структур ДНК обеспечивается сильной склонностью цепей ДНК с комплементарными последовательностями оснований к слипанию друг с другом и образованию двойной спирали. Так называемые липкие концы (a), короткие отрезки цепей неспаренной ДНК, выступающие на одном конце молекулы ДНК, соединяются со специфическими отрезками другой цепи. Второй важный строительный элемент - ветвление ДНК (b), при котором три или более спиралей соединяются в точке ветвления (узле). В естественно возникающей разветвленной ДНК точка ветвления может перемещаться по кругу (c), потому что последовательности оснований на этих четырех ветвях симметричны. В искусственно созданном ветвлении ДНК, не имеющем этой симметрии, точка ветвления фиксирована (d). Копии ДНК с ветвлением и с комплементарными липкими концами (e) самособираются в структуру решетки.
Оптимальная форма ДНК - обычная двойная спираль, открытая Ватсоном и Криком. Устойчивость структуры определяется так называемой свободной энергией, от которой зависит, в каком направлении пойдет химическая реакция - в прямом или в обратном. Ею же определяется конформация - перегибы и сочленения - больших молекул ДНК, РНК и белков. Химическая система всегда стремится к состоянию с наименьшей свободной энергией. Свободная энергия двух взаимно дополняющих цепей нуклеотидов минимальна, когда они образуют двойную спираль.
Четыре цепи, при соединении которых получается неподвижное сочленение, образуют максимальное количество двойных спиралей обычной ДНК только в том случае, если формируется разветвленная молекула. Ветвление невыгодно - оно увеличивает свободную энергию молекулы. Но это компенсируется намного большим энергетическим выигрышем за счет возникновения четырех ветвей из обычной двойной спирали. Сегодня создать устойчивую молекулу ДНК с разветвлением, синтезировав необходимые цепи, легко, но в 1979 г. это была область передовых исследований. Я же в те годы занимался кристаллографией, а не органической химией, и поэтому еще только начинал задумываться о такой системе.
Вдохновение от Эшера
Однажды в конце 1980 г. я рассматривал гравюру голландского художника М. Эшера (M.C. Escher) "Глубина" (см. рис.справа ниже) и представил, что тело каждой рыбы - точка сочленения, а голова, хвост, верхний, нижний, левый и правый плавники - шесть ветвей молекулы ДНК. К тому же рыбы расположены эквидистантно, как молекулы в молекулярном кристалле. И тут меня осенило: если связать разветвленные молекулы с помощью липких концов, то можно получить наноскопический молекулярный аналог стаи эшеровских рыб!
Гравюра М. Эшера "Глубина" (слева) вдохновила автора на то, чтобы рассмотреть множество узлов с шестью ветвями, связанных между собой так, что образуется как бы трехмерный молекулярный кристалл (справа). Центр каждой рыбы похож на точку ветвления узла с шестью ветвями. Вместо ветвей от центра рыбы отходят шесть особенностей: голова и хвост, верхний и нижний плавники, левый и правый плавники. Такие молекулярные подмостки могут удерживать другие молекулы в регулярных решетках. Например, ячейки из ДНК, содержащие ориентированные биологические макромолекулы, можно использовать в кристаллографических экспериментах. Подобным же способом наноэлектронные компоненты можно было бы организовать в очень малые устройства памяти.
Прежде всего это позволит нам изготавливать вещества из тщательно сконструированных молекул, соединенных определенным образом с нанометровой точностью. В результате мы сможем получать материалы со специфическими свойствами. Например, выстраивая регулярные решетки с точно заданными периодами повторения, можно создавать специальные оптические кристаллы, используемые в фотонике.
Кроме того, хотелось бы использовать ДНК как строительные леса, удерживающие матрицу из молекул, неспособных образовывать правильные кристаллические структуры. Такой подход позволит использовать кристаллографические методы для определения трехмерной структуры больших органических молекул, в том числе многих рецепторов, которые могли бы стать превосходными мишенями для лекарственных средств (см. рис. справа на стр. 26). Аналогичным способом можно было бы расположить и плотно упакованные наноэлектронные ячейки памяти.
Почему же мы используем именно ДНК? Главное, что цепочки ДНК взаимодействуют наиболее предсказуемым и легко программируемым образом. Липкий конец длиной в N оснований представляет собой одну из 4N их возможных последовательностей. Колоссальное разнообразие и склонность липких концов соединяться только со строго согласованной последовательностью оснований обеспечивают возможность конструирования молекул, состоящих из множества цепей ДНК, соединенных друг с другом точно заданным способом. Кроме того, два слипшихся конца образуют жесткий отрезок классической спирали ДНК. Таким образом, мы наверняка знаем, какие цепи связываются друг с другом и какую форму принимают соединенные сегменты. В случае использования в качестве рабочего вещества белков или антител нельзя получить столь подробную информацию. Их разнообразие тоже велико, но определить, какую форму примет белок или как соединятся два белка или антитела, чрезвычайно сложно. Кроме того, для каждого конкретного случая эту трудоемкую задачу придется решать заново.
Другая причина популярности ДНК - простота ее синтеза средствами биотехнологической промышленности. Мы можем управлять ДНК с помощью ферментов расщепления, раскалывающих ДНК в нужных местах, и лигаз, которые катализируют соединение двух молекул ковалентными связями (сильными химическими связями, в которых участвуют пары электронов, принадлежащих разным атомам). Используя эти вещества, можно создавать и изменять как обычную ДНК, так и ее экзотические производные, в состав которых входят основания, отличающиеся от обычных четырех, и дополнительные молекулы, присоединенные к внешней стороне базовой цепи (боковине спиральной лестницы). ДНК прекрасно подходит для создания таких производных, потому что каждый нуклеотид в спирали имеет участки, к которым могут присоединяться другие молекулы.
Полиэдры, которые мы строили, были похожи на структуры, сделанные из зубочисток, воткнутых по углам в шарики зефира.
Наконец, ДНК может принимать формы, отличные от обычной спирали. Используя переходы от одной структуры ДНК к другой, можно конструировать движущиеся наномеханические устройства, такие как пинцет или вращающийся вал. Главный недостаток ДНК состоит в том, что изделия из нее удается изготавливать только в водном растворе. Впрочем, созданные структуры несложно высушить (например, на слюде) и разглядеть под микроскопом.
Модели из стержней
В 1991 г. мы с Джангхуаем Ченом (Junghuei Chen) синтезировали кубическую молекулу ДНК (см. рис. внизу). Каждое ребро куба - цепь двойной спирали; а каждый угол - сочленение с тремя ветвями. Поскольку любая вершина связана с тремя другими, связность куба равна трем. Специалисты по генной инженерии создали из ДНК множество линейных конструкций, мы же сделали первую молекулу ДНК со связностью больше двух. Куб самособирается из прилипающих друг к другу фрагментов ДНК, концы которых остаются свободными. Лигазы соединяют их, и в результате образуются шесть замкнутых контуров - граней куба. Благодаря спиральной природе ДНК каждый из них скручен с примыкающими контурами, так что куб не разваливается, даже когда разрушаются все связи, соединяющие пары оснований.
Куб из стержней, составленный из шести петель ДНК, показывает, что из ДНК можно строить трехмерные структуры. Основа каждой цепи ДНК изображена цветными сферами (для каждой цепи взят другой цвет), а основания обозначены как белые сферы. Каждое ребро куба содержит 20 пар нуклеотидов, или примерно два полных оборота двойной спирали. Каждый угол - узел с тремя ветвями. Упрощенная схема (внизу справа) показывает, как связаны цепи ДНК, но опускает их спиральное закручивание.
Вместе с Ювеном Джангом (Yuwen Zhang) мы построили другую фигуру - усеченный октаэдр. Для его создания было решено воспользоваться узлами не с тремя, а с четырьмя ветвями: дополнительную ветвь, выступающую на каждом углу, планировалось задействовать для соединения полученных многогранников в большую структуру. Однако мы изготовили лишь небольшое количество усеченных октаэдров - достаточно, чтобы убедиться в правильности их строения, но слишком мало, чтобы попытаться соединить их между собой. Кроме того, мы достигли предела своих экспериментальных возможностей: дальнейшая работа потребовала бы оптимизации и автоматизации процедуры синтеза наших многогранников. Поэтому мы обратились к более простым компонентам.
Был еще один веский аргумент в пользу изменения направления работ. Выяснилось, что жесткость построенных нами многогранников оставляет желать лучшего. Отрезок ДНК длиной в два-три витка отклоняется от продольной оси не больше, чем кусочек вареного спагетти длиной два-три миллиметра. Поэтому грани наших фигур, несомненно, были жесткими. Но оказалось, что углы при вершинах, к сожалению, не могли похвастать постоянством. Полученные октаэдры были словно сделаны из зубочисток, воткнутых в шарики зефира, расположенные по углам. Разумеется, и им можно найти применение, но кристаллическую решетку лучше выстраивать из твердых кирпичиков, а не из зефира.
Изучая биологические системы с рекомбинацией, мы нашли решение этой проблемы - жесткую молекулу ДНК с двойным кроссовером (DX). Она состоит из двух расположенных рядышком двойных спиралей с цепями, переходящими от одной спирали к другой и соединяющими их между собой (см. рис. ниже). Весьма жесткой оказалась и DX+J-молекула, содержащая еще один маленький участок двойной спирали, выпирающий из нее, - своеобразный маркер.
ЖЕСТКИЕ РЕШЕТКИ ИЗ ДНК
Из жестких "кирпичиков" ДНК можно строить двухмерные кристаллы. Кирпичики (a) представляют собой блоки с двойным кроссовером (DX) и с двойным кроссовером плюс узел (DX+J), которые не могут проворачиваться в точках их соединения так, как могут узлы с несколькими ветвями. Каждый кирпичик имеет четыре различных липких конца для соединения кирпичиков между собой. Выступающая зеленая цепь DX+J соединяется вне плоскости. Каждый блок имеет размеры примерно 4 на 16 нанометров. Для простоты DX и DX+J блоки показаны схематически, с геометрическими фигурами на их концах, изображающими липкие концы (b). В растворе липкие концы находят комплементарные себе, и блоки самособираются в двухмерную структуру (c). На изображении кристалла, полученном на атомном силовом микроскопе, видна полосатая структура (d) (образец для микроскопии был нанесен на плоскую поверхность слюды). Яркие полосы, отстоящие примерно на 32 нанометра, - это линии ДНК, выступающих из блоков DX+J. Параллелограммы ДНК также самособираются в двумерные структуры (e, f).
Эрик Уинфри (Erik Winfree), Фуронг Лю (Furong Liu) и Лайза Венцлер (Lisa A. Wenzler) использовали комбинации DX- и DX+J-молекул для создания двумерных кристаллов заданной конфигурации. Элементы соединяются липкими концами по обеим сторонам каждой спирали. Столбцы DX-молекул, чередующиеся со столбцами DX+J-молекул, образуют полосы, отстоящие друг от друга на 32 нм. Качество полученной сетки мы проверили с помощью атомного силового микроскопа, нанеся ее на плоскую слюдяную пластину. Чтобы убедиться в том, что достигнутый результат неслучаен, мы изготовили второй кристалл с измененными элементами. В нем три DX-столбца были связаны с одним DX+J столбцом, и поэтому промежуток между полосами был в два раза больше.
Недавно группа Джона Райфа (John H. Reif) из Университета Дьюка продемонстрировала "штриховые коды ДНК", сделанные по этой технологии. С помощью входной цепи ДНК расположение полос было запрограммировано таким образом, чтобы они изображали двоичное число 01101. Аналоги DX- и DX+J блоков самособирались на участках исходной ДНК, соответствующих 0 и 1 соответственно. Несколько таких последовательностей из пяти элементов соединялись параллельно, образуя сочетание полос кода, промежуток между которыми составлял около 15 нм. Анализируя полученный штрих-код с помощью атомного силового микроскопа, мы, по существу, получаем данные, которые были закодированы в исходной цепи ДНК. Подобные визуальные средства чтения последовательности ДНК можно использовать для быстрого составления карт мутаций и считывания результатов вычислений на основе ДНК.
Вместе с Ченгдэ Mao (Chengde Mao) мы синтезировали параллелограммы из ДНК, аналогичные многогранникам из стержней. В результате соединения множества их копий получается двухмерный кристалл. Величину его впадин можно регулировать, изменяя размеры параллелограммов. Хотя точки разветвления характеризуются гибкостью, располагая их в углах параллелограммов, мы получаем подходящие элементы двумерной матрицы.
Функционирование этого устройства было проверено путем соединения ряда его копий в цепь с большими участками ДНК трапецеидальной формы, введенными в качестве маркеров. Когда устройства находятся в состоянии PX (b, внизу), все трапецоиды находятся на одной и той же стороне. Когда все устройства находятся в состоянии JX (c), положения трапецоидов по сторонам чередуются. Атомная силовая микроскопия точно выявляет этот способ поведения (d, e).
Наномашины
И все же самое интересное в нанотехнологии - это механизмы молекулярных размеров. Мы создали из ДНК несколько таких устройств, но мне хотелось бы обратить особое внимание на две конструкции, основанные на структурном изменении молекул ДНК - переходе от одной конформации к другой.
Обычная ДНК называется B-ДНК и имеет вид правосторонней спирали: если подниматься по ней как по лестнице, то левая рука будет на внутренних перилах, а правая - на внешних. Такая структура энергетически наиболее выгодна в типичных условиях водных растворов.
Наномеханическое B-Z устройство, которое демонстрирует управляемое движение, сделано из двух блоков DX (синий и оранжевый), соединенных "валом" из 20 пар оснований(фиолетовый). Две цветные окрашенные молекулы (серебряные и золотые сферы) выделяют цветом положения DX-молекул. В состоянии B (сверху) "вал" - это обычная правосторонняя спираль B-ДНК, и обе DX-молекулы находятся по одну сторону "вала". Когда к раствору добавляется гексамин кобальта, "вал" преобразуется в левостороннюю Z-ДНК (см. верхнюю иллюстрацию выше), и DX-блоки поворачиваются на 3,5 оборота относительно друг друга, оказываясь по разные стороны от "вала".
Форма ДНК зависит от последовательности оснований в ее цепи и химических соединений, присутствующих в окружающем растворе. В 1979 г. Александр Рич (Alexander Rich) из Массачусетского технологического института открыл Z-ДНК с левосторонней структурой. Чтобы получить ее, необходимо добиться чередования в спирали цитозина и гуанина. В основную цепь ДНК входят отрицательно заряженные фосфатные группы, которые в Z-ДНК сближаются. Энергетически это выгодно только в том случае, если заряды на фосфатах экранированы друг от друга водной средой, содержащей либо соль в высокой концентрации, либо эффекторное соединение, например, гексамин кобальта Co(NH3)63+, выполняющий ту же функцию при намного меньшей концентрации. Подбирая расположение последовательности цитозин - гуанин, мы определяем, в каком месте молекулы будет происходить B-Z-переход, а изменяя свойства окружающей жидкости - инициируем его.
Вместе с коллегами из Нью-Йоркского университета мы создали устройство, состоящее из двух DX-молекул, связанных двойной спиралью ДНК (см. рис. внизу). Ее центр был образован последовательностью из 20 пар оснований, которые в соответствующих условиях принимали Z-форму. В исходном состоянии каждая часть механизма образует B-ДНК, и обе DX-молекулы располагаются по одну сторону от оси. При добавлении к раствору гексамин кобальта центральная часть вала превращается в Z-ДНК, и одна из DX-молекул поворачивается на 3,5 оборота и оказывается на противоположной стороне оси. При удалении гексамин кобальта устройство возвращается в первоначальное состояние.
ДНК КАК ПУСКОВОЕ УСТРОЙСТВО
Индивидуально управляемое устройство из ДНК переключается между двумя состояниями (a, шаги 1-8) с помощью добавления и удаления определенных отрезков цепей ДНК, называемых задающими цепями. Голое устройство состоит из четырех двойных спиралей, связанных в середине двумя неспаренными цепями ДНК (1). Когда добавлены светло-синие задающие цепи (2), они связываются с неспаренными цепями таким образом, что вынуждают устройство перейти в "дважды параллельное" (JX) состояние (3). В этом состоянии и верхняя, и нижняя части красной и зеленой спиралей обращены в одну и ту же сторону. При добавлении комплементарных цепей светло-синие цепи отщепляются (4), снова оставляя устройство голым (5). Теперь добавляются пурпурные задающие цепи (6), которые присоединяются другим способом, заставляя устройство перейти в конфигурацию так называемого паранемического кроссовера (PX) (7). При этом нижняя часть устройства поворачивается, помещая красную и зеленую спирали на противоположных сторонах. Цикл механизма можно продолжить, удалив пурпурные задающие цепи (8) и введя снова светло-синие.
B-Z-механизм надежен, но у него есть недостаток. Например, у двухмерной решетки из нескольких B-Z-устройств будет всего два состояния: все элементы в положении B и все элементы в положении Z. Поэтому подобные структуры желательно собирать из устройств, которыми можно управлять с помощью самих цепей ДНК, используя для запуска каждого элемента уникальную последовательность оснований.
Мы разработали систему, которая изменяет форму при соединении с разными молекулярными цепочками. Она состоит из двух параллельных двойных спиралей ДНК, каждая из которых в центральной области кроссовера сокращается до одиночной цепи. Область пересечения может находиться в двух различных состояниях - PX (паранемический кроссовер) и JX ("бок о бок") - в зависимости от того, какие молекулярные цепочки были добавлены к раствору, чтобы присоединиться к одноцепочному участку (см. рис. вверху). Когда устройство находится в состоянии PX, две спирали по одну сторону от центрального узла повернуты на полоборота относительно их положений в состоянии JX.
Когда в раствор добавляется специфическая пара задающих цепочек, они связываются с центральной областью без кроссовера и переводят устройство в состояние JX. Чтобы снова переключиться на PX, их нужно удалить. В 2000 г. Бернард Юрке (Bernard Yurke) и его коллеги из фирмы Lucent Technologies показали, что определенную молекулярную цепочку можно извлечь из ДНК, присоединив к ней полностью комплементарную цепь. Для этого задающие цепи должны содержать короткие концы, не спаренные с механизмом. Когда мы добавляем в раствор полностью комплементарную цепь, она присоединяется сначала к неспаренному участку, а затем отделяет от устройства остальную часть задающей цепочки.
После удаления одних задающих цепей мы можем добавить другие. Их присоединение вызывает поворот двух двойных спиралей и переводит устройство в состояние PX. Процесс можно обратить, удаляя вторые задающие цепи и снова добавляя первые. Таким образом, двойную спираль по желанию можно переводить из одной формы в другую. Множество различных PX-JX-устройств можно использовать независимо, добавляя и удаляя задающие цепи, настроенные на их индивидуальные области присоединения.
Чтобы проверить, как работает наше устройство, пришлось воспользоваться атомным силовым микроскопом. К одной стороне механизмов, соединенных в длинную цепь, мы присоединили большой блок ДНК трапецеидальной формы. Когда все устройства находятся в состоянии PX, трапецоиды лежат на одной и той же стороне цепи. При переходе элементов цепочки в состояние JX трапецоиды выстраиваются зигзагом.
В 2000 г. группа под руководством Юрке продемонстрировала наноскопический пинцет, изготовленный из трех цепей ДНК. Задающие цепи (их Юрке называет топливными цепями) открывают и закрывают его. Другие исследователи использовали аналогичные методы для включения активности рибозимов - ферментов, сделанных из РНК. В 1998 г. Майкл Робинсон (Michael P. Robinson) и Эндрю Эллингтон (Andrew D. Ellington) из Техасского университета в Остине продемонстрировали 10 000-кратное повышение активности рибозима при добавлении соответствующей задающей цепи, которая присоединяется к рибозиму и изменяет его конформацию.
Планы на будущее
Главная цель нанотехнологии, основанной на ДНК, состоит в распространении достигнутых в двух измерениях успехах на три измерения. Когда это будет сделано, мы сможем показать способность конструировать твердые материалы, задавая ряд последовательностей ДНК и затем комбинируя их. Если системы высоко упорядочены, то можно будет проводить кристаллографические эксперименты с использованием молекул, удерживаемых внутри регулярно повторяющейся структуры, о которых мы упоминали ранее.
Другая цель состоит в том, чтобы включить устройства на ДНК в структуры. Это было бы первым шагом к наноробототехнике, включающей сложные движения и разнообразие структурных состояний, которые позволят нам строить химические сборочные линии. Используя устройства, подобные описанным выше, мы могли бы с высокой точностью собирать новые материалы. Как опытный образец Джеймс В. Кенэри (James W. Canary) и Филип С. Льюкмен (Philip S. Lukeman) из Нью-Йоркского университета, Ли Джу (Lei Zhu), теперь работающий в Техасском университете в Остине, и я недавно собрали на базовой цепи из нуклеиновых кислот небольшой кусок нейлона. Мы полагаем, что когда-нибудь мы сможем делать новые полимеры с определенными свойствами и топологией (типа витков их базовых цепей).
Важнейшая цель для нанотехнологии, основанной на ДНК, состоит в том, чтобы успехи, достигнутые в двух измерениях, распространить на три измерения.
Достижение этих целей прежде всего предполагает использование ДНК как программируемого компонента, но ни кристаллография, ни наноэлектроника не могут полагаться на одну ДНК. Например, наноэлектронные компоненты типа металлических наночастиц или углеродных нанотрубок должны будут объединеняться с молекулами ДНК в системах и в жидких растворах, совместимых как с ДНК, так и с другими компонентами. Учитывая разнообразную химическую природу этих молекул, достигнуть этого будет непросто. Кроме того, даже если наноэлектронные устройства можно построить путем самосборки ДНК, наномашины в конечном счете должны взаимодействовать с макроскопическим миром более сложным образом, чем добавление и удаление задающих цепей из раствора. Это, вероятно, будет очень трудная задача.
ДНК октаэдр был построен из одной длинной цепи ДНК и пяти коротких вспомогательных цепей. Каждая "распорка" состоит из двух параллельных связанных между собой двойных спиралей. Показанное изображение было реконструировано путем объединения данных от полученных на криоэлектронном микроскопе изображений более чем 600 октаэдров. Цвета изображают относительную электронную плотность: красный - высокую и синий - низкую.
Мечта нанотехнологии - машина, которая может осуществлять копирование. Однако в отличие от линейной ДНК, разветвленная ДНК не дает возможности легкого самокопирования. Все же в конце прошлого года Уильям Ши (William M. Shih), Джоэл Квисп (Joel D. Quispe) и Джералд Джойс (Gerald F. Joyce) из Научно-исследовательского института Скриппса в Ла-Хойя (Калифорния), сделали захватывающий первый шаг к самокопирующимся объектам из ДНК. Из одной длинной цепи ДНК (приблизительно 1700 оснований) они построили октаэдр, используя для завершения сборки пять коротких вспомогательных цепей (см. иллюстрацию вверху). Каждое ребро октаэдра состоит из двух связанных между собой двойных спиралей ДНК, составленных из ряда DX и PX молекул. Каждое ребро имело длину около 14 нанометров, или приблизительно четыре оборота двойной спирали. Свернутый октаэдр не может воспроизводиться, но в развернутом состоянии длинную цепь легко можно размножить клонированием хоть миллионы раз, используя стандартный процесс биотехнологии, называемый PCR (цепная реакция полимеразы). Это пока еще далеко от копирования, осуществляемого каждым живым организмом, но к столетию открытия Уотсона и Крика мы, наверное, будем иметь машины на основе ДНК, которые будут делать то же самое.
ОБ АВТОРЕ:
Нейдриен C. ("Нед") Симан (Nadrian C. ("Ned") Seeman) - специалист по кристаллографии. Разочаровавшись в экспериментах по кристаллизации макромолекулярных соединений, он выдвинул идею, что объединение цепей ДНК можно использовать для нового подхода к кристаллизации. С тех пор он работает над осуществлением этой концепции и ее применением. В течение последних 16 лет Симан работал на химическом факультете Нью-Йоркского университета.
Когда в середине 1980-х гг. ему сказали, что то, чем он занимается, это нанотехнология, его ответ был похож на реакцию Журдена, персонажа пьесы Мольера "Мещанин во дворянстве", который был восхищен, узнав, что всю свою жизнь он говорил прозой.
http://www.sciam.ru/article/2328