Принципы ДНК-наноархитектоники: вопросы применения

Еще одна из потенциально важных областей применения ДНК-наноструктур, а именно дву- и трехмерных решеток, связана с получением на их основе молекулярных сит или молекулярных фильтров. Была продемонстрирована способность трехмерных ДНК-решеток с внутренними порами ~9 нм адсорбировать молекулы белков. В этих экспериментах ДНК-решетки обрабатывали набором отрицательно заряженных ионов при нейтральных pH белков с различной молекулярной массой. После продолжительной инкубации ДНК- решетки отмывали и исследовали состав белков, связавшихся с ДНК-конструкцией. Было показано, что с ДНК- решеткой связываются только белки с молекулярной массой <45 кДа.

В литературе представлено немало разработок для активного внедрения получаемых ДНК-наноструктур в разнообразных практических областях: электронике, медицине, наномеханических системах и др. Однако до настоящего времени нет работ по использованию конструкций на основе ДНК на практике, они до сих пор остаются лишь перспективными элементами молекулярных инструментов и техники будущего.

 

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАЯ СТРУКТУРЫ ДНК-НАНООБЪЕКТОВ

 

Для первичной характеристики мономерных ДНК-блоков или более сложных ассоциатов довольно часто используют непрямые методы установления структуры объектов. Чтобы экспресс-анализ был возможен, в структуре блоков или конечных собранных объектов размещают, например, определенные ДНК-фрагменты, являющиеся сайтами узнавания эндонуклеаз рестрикции. «Меченные» таким образом ДНК-структуры способны расщепляться, давая прогнозируемый набор продуктов, указывающий на качество сборки. Пошаговую сборку ДНК-структуры легко контролировать методом задержки в геле, позволяющим зафиксировать изменение размера и (или) формы продукта ассоциации.¹⁴

Кроме того, для исследования ДНК-объектов часто используют методы, связанные с предварительным модифицированием ДНК-структур. Например, введение молекул-флуорофоров позволяет получить изображение объектов с помощью флуоресцентных микроскопов, что в основном и применяют для характеризации периодических ДНК-матриц. Мечение определенных олигонуклеотидных компонентов двумя флуоресцентными красителями позволяет определить степень их сближения в получаемом ДНК-объекте за счет исследования эффективности резонансного переноса энергии флуоресценции. Подобная методика описана для косвенного доказательства строения плоского ДНК-многоугольника и периодических ДНК-матриц.¹⁵

Точное установление структуры  и формы ДНК-объекта возможно только с использованием более сложного инструментария. Одним из наиболее распространенных методов доказательства строения нанообъектов является атомно-силовая микроскопия (АСМ). Именно с ее помощью

 

Рис. 1. Типичные изображения, полученные при исследовании ДНК-объектов методами атомно-силовой (а-f) и криоэлектронной микроскопии (g): ДНК-многоугольники на основе 40А-блоков (а-с), периодические матрицы, сформированные на основе 5DA- блоков (d, е), ДНК-тетраэдры на основе 3DA-блоков (f, g). Размер области сканирования: 500 х 500 нм (а), 1000 х 1000 нм (b), 200 х 200 нм (с).

 

получены  изображения и размерные характеристики подавляющего большинства описанных нано- и микроразмерных ДНК-структур (рис. 24). Однако метод АСМ не всегда применим для исследования объемных структур, конструируемых на основе биологических молекул. Было показано, что для изучения пространственной организации трехмерных ДНК-объектов, например многогранников, более информативен метод криоэлектронной микроскопии (см. рис. 1). Помимо этого, описан способ исследования строения трехмерных ДНК-нанотрубок с помощью электронной микроскопии. Однако в этом случае требуется введение в структуру ДНК-объекта наночастиц металлов, обеспечивающих контрастность изображения. С помощью электронной микроскопии было доказано строение трехмерной оригами-структуры.¹⁶

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Структурную ДНК-нанотехнологию, безусловно, можно назвать новой главой в истории молекулы ДНК. Подход к конструированию нанообъектов «снизу вверх», применяемый в ДНК-нанотехнологии, позволяет получать на основе простых линейных молекул ДНК сложные по форме объекты, а порой и своего рода архитектурные ансамбли. Используя исключительно уотсон-криковские взаимодействия для организации мономерных блоков, возможно построение статических и динамических, дискретных и периодических, одно-, дву- и трехмерных ДНК-структур. Успех в получении разнообразных объектов в очередной раз говорит в пользу ДНК как идеального «строительного блока» для конструирования объектов в нанометровом диапазоне. Для придания уникальных свойств и расширения возможностей структурной ДНК-нанотехнологии в состав НК-блоков часто вводят дополнительные конструкционные элементы: белки, остатки органических молекул.

Большое разнообразие форм получаемых объектов и возможность декорирования  составных олигонуклеотидов без изменения их способности к самоассоциации открывают удивительные перспективы для будущего практического применения ДНК-наноструктур. Основные направления развития ДНК-нанотехнологии связывают с получением контейнеров для транспортировки и матриц для организации биомолекул, конструированием платформ для медицинской диагностики и компонентов микро- и наноэлектроники.

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. C.G.Baumann, S.B.Smith, V.A.Bloomfield, C.Bustamante. Proc. Natl. Асаd. Sci. USA, 94, 6185 (1997)

2. J.Wengel. Org. Biomol. Chem., 2, 277 (2004)

3. E.Braun, Y.Eichen, U.Sivan, G.Ben-Yoseph. Nature (London), 391, 775 (1998)

4. M.Fischler, U.Simon, H.Nir, Y.Eichen, G.A.Burley, J.Gierlich, P.M.E.Gramlich, T.Carell. Small, 3, 1049 (2007)

5. K.Tanaka, G.H.Clever, Y.Takezawa, Y.Yamada, C.Kaul, M.Shionoya, T.Carell. Nat. Nanotechnol., 1, 190 (2006)

6. Y.Ke, S.Lindsay, Y.Chang, Y.Liu, H.Yan. Science, 319, 180 (2008)

7. C.Lin, Y.Liu, H.Yan. Nano Lett, 7, 507 (2007)

8. C.M.Niemeyer, J.Koehler, C.Wuerdemann. ChemBioChem., 3, 242 (2002)

9. K.V.Gothelf, R.S.Brown. Chem.-Eur. J., 11, 1062 (2005)

10. C.M.Erben, R.P.Goodman, A.J.Turberfield. Angew. Chem., Int. Ed, 45, 7414 (2006)

11. L.Feng, S.H.Park, J.H.Reif, H.Yan. Angew. Chem., Int. Ed., 42, 4342 (2003)

12. E.S.Andersen, M.Dong, M.M.Nielsen, K.Jahn, R.Subramani, W.Mamdouh, M.M.Golas, B.Sander, H.Stark, C.L.P.Oliveira, J.S.Pedersen, V.Birkedal, F.Besenbacher, K.V.Gothelf, J.Kjems. Nature (London), 459, 73 (2009)

13. S.M.Douglas, J.J.Chou, W.M.Shih. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 104, 6644 (2007)

14. E.Winfree, F.Liu, L.A.Wenzler, N.C.Seeman. Nature (London), 394, 539 (1998)

15. B.Sacca, R.Meyer, U.Feldkamp, H.Schroeder, C.M.Niemeyer. Angew. Chem., Int. Ed., 47, 2135 (2008)

16. D.Han, S.Pal, J.Nangreave, Z.Deng, Y.Liu, H.Yan. Science, 332, 342(2011)

¹ C.G.Baumann, S.B.Smith, V.A.Bloomfield, C.Bustamante. Proc. Natl. Асаd. Sci. USA, 94, 6185 (1997)

² J.Wengel. Org. Biomol. Chem., 2, 277 (2004)

³ E.Braun, Y.Eichen, U.Sivan, G.Ben-Yoseph. Nature (London), 391, 775 (1998)

⁴ M.Fischler, U.Simon, H.Nir, Y.Eichen, G.A.Burley, J.Gierlich, P.M.E.Gramlich, T.Carell. Small, 3, 1049 (2007)

⁵ K.Tanaka, G.H.Clever, Y.Takezawa, Y.Yamada, C.Kaul, M.Shionoya, T.Carell. Nat. Nanotechnol., 1, 190 (2006)

⁶ Y.Ke, S.Lindsay, Y.Chang, Y.Liu, H.Yan. Science, 319, 180 (2008)

⁷ C.Lin, Y.Liu, H.Yan. Nano Lett, 7, 507 (2007)

⁸ C.M.Niemeyer, J.Koehler, C.Wuerdemann. ChemBioChem., 3, 242 (2002)

⁹ K.V.Gothelf, R.S.Brown. Chem.-Eur. J., 11, 1062 (2005)

¹⁰ C.M.Erben, R.P.Goodman, A.J.Turberfield. Angew. Chem., Int. Ed, 45, 7414 (2006)

¹¹ L.Feng, S.H.Park, J.H.Reif, H.Yan. Angew. Chem., Int. Ed., 42, 4342 (2003)

¹² E.S.Andersen, M.Dong, M.M.Nielsen, K.Jahn, R.Subramani, W.Mamdouh, M.M.Golas, B.Sander, H.Stark, C.L.P.Oliveira, J.S.Pedersen, V.Birkedal, F.Besenbacher, K.V.Gothelf, J.Kjems. Nature (London), 459, 73 (2009)

¹³ S.M.Douglas, J.J.Chou, W.M.Shih. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 104, 6644 (2007)

¹⁴ E.Winfree, F.Liu, L.A.Wenzler, N.C.Seeman. Nature (London), 394, 539 (1998)

¹⁵ B.Sacca, R.Meyer, U.Feldkamp, H.Schroeder, C.M.Niemeyer. Angew. Chem., Int. Ed., 47, 2135 (2008)

¹⁶ D.Han, S.Pal, J.Nangreave, Z.Deng, Y.Liu, H.Yan. Science, 332, 342 (2011)