Ученые используют ДНК для 3D-печати объектов размером в нанометры
Новая методика даст возможность создавать наноструктуры из микроскопических нитей ДНК. Технология под названием ДНК-оригами, что звучит как название странного хобби, на самом деле является довольно важной научной техникой: исследователи хотят создавать сложные структуры в наномасштабе, чтобы те могли взаимодействовать с человеческими клетками и молекулами, из которых состоят. Но сделать нечто насколько малого размера довольно сложно, не говоря уже о весьма специализированных елях таких конструкций – например, структура должна прикрепиться к раковым клеткам и сделать так, чтобы они далее не размножались.
В недавно опубликованном исследовании предлагается новая технология создания этих сложных структур в минимально возможном размере. Может быть, однажды эти крошечные, замысловатые структуры будут использованы для медикаментозного лечения, а также для других целей, о которых мы даже еще не догадываемся.
А теперь есть возможность того, что их проектирование станет быстрым и простым – все благодаря решению многовековой математической задачи.
Чтобы понять проблему, над решением которой работают Бьерн Хогберг из Каролинского института Швеции и его коллеги, просто посмотрите математическую задачу о кёнигсбергских мостах.
Проблема звучит так: в Кёнигсберге (ныне известном как Калининград, Россия) было семь мостов. Можно ли, как спрашивается в задаче, прогуляться по всем семи мостам так, чтобы ни по одному из них не пройтись дважды?
"Проблема, над решением которой мы работаем, очень схожа с этой", – рассказывает Хогберг.
От полигональной сетки до эйлерова маршрута каркаса ДНК, окончательного ДНК-макета и, наконец, молекулярной сетки ДНК – все визуализировано с помощью трансмиссионной электронной микроскопии (просвечивающей) (Эрик Бенсон и Бьёрн Хогберг).
Когда ученые пытаются 3D-печатать конструкции с помощью крошечных нитей ДНК, они стремятся оптимизировать маршрут ДНК для формирования желаемой структуры. До сегодняшнего дня большинство их были довольно массивными. Но чтобы использовать возможности нанообъектов, нужны более динамичные формы. Для этой цели ДНК должна проходить таким образом, чтобы максимизировать силу и упругость, но при этом не потерять детали путем двойного прохождения нитей в одних и тех же местах (как в задаче с мостами).
"Мы стремились один раз проложить нить ДНК на каждом краю многоугольной формы и, если подобное возможно только единожды, затем привести ее обратно к исходной точке, так как это кольцевая молекула", – объясняет Хогберг.
С новым алгоритмом его команды, разработанным с помощью специалистов в области вычислительных систем и машин Университета Аалто в Финляндии, это так же просто, как и создание сложной формы посредством обычного программного обеспечения для 3D-печати. Алгоритм способен оптимизировать путь прокладки нити ДНК, чтобы сформировать нужный объект.
Для пользователя, как говорит Хогберг, создать 3D-наноструктуры вдруг оказывается насколько же просто, как и сделать такие же, но большие объекты. По крайней мере, до того момента, когда их надо будет печатать.
"Кривая обучения здесь действительно улучшилась, сейчас проектировать их легко, – сказал он. – Но сам процесс создания на самом деле не изменился. Чтобы действительно напечатать желаемые объекты, вы должны заказать ДНК и соединить все это вместе, и, конечно же, для большинства это и становится препятствием".
Поэтому биохакерам-умельцам, наверное, придётся подождать еще некоторое время, прежде чем команда новаторов позволит им создавать сложные ДНК-оригами в домашних условиях. Но сейчас группа публикует код своего алгоритма в надежде дать другим лабораториям возможность производить эти структуры более быстро и эффективно.
Физик Тим Лидл, не принимающий участие в исследовании, одобряет выводы своих коллег-ученых. "Это не первое исследование, в рамках которого ученые пытаются создать сетки из ДНК. На сегодняшний день уже проведены десятки экспериментов, предлагающих множество методов для построения многогранников и каркасных конструкций на основе ДНК, – пишет он. – Но нынешняя работа, возможно, представляет собой наиболее универсальный и рациональный метод проектирования".
Создавая инструмент, который упрощает производство этих структур, как указывает Лидл, ученые предлагают потенциальные возможности для того, чтобы большее количество лабораторий приступило к работе по изучению наноструктур.
