Химически, ДНК – это две длинные полимерные цепочки – полинуклеотиды, скомпонованные из простых повторяющихся "строительных модулей" - нуклеотидов. В основе нуклеотидов – дезоксирибозы и фосфатные группы, скреплённые сложными эфирами. Большинство ДНК состоит из двух спиралей, закрученных относительно друг друга в противоположных направлениях, при этом азотистые основания, которыми спирали ориентированы друг к другу, бывают четырёх базовых типов - аденин, гуанин, тимин и цитозин. Последовательность этих четырёх азотистых оснований по всей длине основания молекулы и является информацией, закодированной в ДНК. Информация считывается с помощью генетического года, определяющего последовательность аминокислот в белках. Код считывается копированием всей длины ДНК в соответствующую нуклеиновую кислоту - РБК, а сам процесс считывания генетического кода также иногда называют транскрипцией.
Внутри клеток ДНК организуется в хромосомы, которые дуплицируются перед делением клеток, а процесс называется репликацией ДНК. В хромосомах ДНК содержатся и огранизуются с помощью хроматиновых белков класса гистонов. Эти структуры, помогающие контролировать процесс транскрибирования ДНК, ответственны за взаимодействие между ДНК и другими белками.Раскапывать интересные подробности о строении и принципе "размножения" ДНК можно бесконечно долго, однако в рамках этой статьи нас прежде всего интересуют два факта – способность ДНК хранить огромные фрагменты "программного кода" и гибкая способность к созданию различных форм. Именно эти особенности ДНК нынче пытаются воспроизвести учёные в своих экспериментах. В статье, опубликованной в первом январском выпуске журнала Science за 2009 год, учёные Хао Ян (Hao Yan) и Ян Лю (Yan Liu) из Института биодизайна (Biodesign Institute) при кафедре химии и биохимии (при Department of Chemistry and Biochemistry) Государственного университета Аризоны (Arizona State University) рассказали об открытом ими способе получения трёхмерных ДНК-подобных структур из нанотрубок, наноколец и наноспиралей. Исследователи нашли способ сборки сложных наноструктур на базе молекулы ДНК – универсального строительного материала с практически безграничным конструктивным потенциалом. Именно эти ДНК-нанотрубки и другие синтетические наноструктуры в ближайшем будущем могут стать основой нового поколения ультракомпактной электроники, а также наноструктурной фармацевтики и биомедицинской техники.В своём исследовании учёные обратились за подсказкой к богатейшему кладезю знаний – природе. В частности, исследователи обратили внимание на тот факт, что даже простейшие океанические одноклеточные водоросли диатомеи содержат белковые самосборные структуры, включающие в себя как органические, так и неорганические материалы. В предыдущих работах по ДНК-подобным наноструктурам учёные уже продемонстрировали возможность формирования самосборных наноструктурных платформ, или "плиток", из ДНК-подобных элементов. Далее из разнообразных "плиток" можно конструировать массивы "мозаик" с различными свойствами.В своей статье учёные описывают эксперименты по разрешению фундаментальной задачи нанотехнологии и современного материаловедения - конструированию молекулярных трёхмерных форм. Для этого исследователи использовали наночастицы золота, размещённые вблизи одноцепочечной ДНК, которая "принуждала" гибкие молекулярные массивы скручиваться в замкнутые петли, пружинистые спирали или кольца диаметром от 30 до 180 нанометров.Наночастицы золота в этом случае выполняли роль своеобразного "скручивателя" ДНК, производя силу под названием "пространственное (стерическое) препятствие", а величина этой силы напрямую зависела от размера наночастицы золота. Именно благодаря силе "пространственного препятствия" учёным из Университета Аризоны впервые удалось наладить процесс скручивания "нанотрубок" ДНК в закрытые кольца с высоким процентом выхода завершённых колец.При проведении экспериментов выяснилось, что использование наночастиц золота диаметром 5 нм, воздействие силы стерического препятствия на ДНК оказывается более мягким, и в результате ДНК скручиваются и объединяются в комплементарные, расположенные рядом сегменты, формирующие зачастую помимо замкнутых колец спирали различного диаметра. Воздействие наночастиц золота диаметром 10 нм, в свою очередь, создаёт большую силу пространственного препятствия, что приводит к более плотному закручиванию и производству преимущественно закрытых колец. По мнению учёных, наночастицы золота принимают участие не только в процессе "самосборки" скрученных структур, но также являются активным веществом, "побуждающим" и "направляющим" процесс формирования наноструктур.Для отображения получаемых в результате экспериментов 3-мерных архитектур на основе ДНК-нанотрубок учёные применяют технику электронной криотомографии. Для этого образцы мгновенно замораживаются в стеклообразном агенте, что позволяет сохранить естественную структуру образца. Изображения, получаемые затем под различными углами, позволяют реконструировать трёхмерную наноструктуру, а отчётливая виртуализация получается благодаря достаточно высокой концентрации электронов в наночастицах золота.На видео, представленном ниже, отчётливо видны 3-мерные структуры спирали из ДНК-нанотрубок, образующиеся благодаря 5-нм золотой наночастице.
Golden 3-D DNA Nanotubes
На следующем видео представлен результат экспериментов с 10-нм наночастицами золота, при этом нанотрубки ДНК формируют ветвящуюся разделяющуюся структуру - спиральная трубка разделяется на два "столбика" колец. Branching Out
Наконец - пожалуй, наиболее интересное видео, где трубки, сформированные с использованием и 5-нм (зелёный цвет) и 10-нм (жёлтый цвет) наночастиц золота располагаются на противоположных поверхностях ДНК.
Both sides now
Основным результатом, полученным в ходе экспериментов, учёные считают возможность массового параллельного производства миллионов и миллиардов "копий" 3-мерных наноструктур с заданными свойствами. По их мнению, трубчатые наноструктуры, удерживаемые наночастицами, могут найти применение в самых разнообразных наноэлектронных устройствах. Как один из наиболее наглядных образом применения таких структур исследователи приводят пример возможного конструирования многоканальных электронных устройств для межклеточных коммуникаций. Чтобы сегодняшний рассказ о практической возможности формирования 3-мерных структур на основе ДНК не показался вам слишком уж оторванным от реальности и близких перспектив коммерческого использования, приведу ещё один интересный пример удачных экспериментов в области ДНК. Дело в том, что в прошлом году японские учёные-химики объявили о небывалом прорыве – им впервые в мире удалось синтезировать молекулу ДНК почти полностью из искусственных компонентов.В своём исследовании под названием "Artificial DNA Made Exclusively of Nonnatural C-Nucleosides with Four Types of Nonnatural Bases" в журнале American Chemical Society группа учёных под руководством Масахико Иноуе (Masahiko Inouye) поделилась результатами конструирования ДНК из оснований всех четырёх типов - аденина, гуанина, тимина и цитозина, искусственного происхождения.Именно разнообразие сочетаний четырёх базовых типов, "кодирующих" разнообразие белков, формирует генетические различия живых форм. До сих пор все эксперименты учёных шли не далее изготовления молекул ДНК с применением одного или нескольких искусственных компонентов. Японские учёные, благодаря использованию высокотехнологичного оборудования для синтеза ДНК смогли объединить вместе все четыре искусственных базовых элемента на основании дезоксирибозы молекулы ДНК. В результате получилась неожиданно стабильная двухспиральная структура, похожая на натуральную ДНК. Как и натуральная ДНК, полученная искусственная структура имела правовинтовую структуру и некоторые трёхрядные подструктуры.
Статья, кстати, находится в полностью бесплатном доступе по адресу 8762 DOI: http://dx.doi.org/10.1021/ja801058h]10.1021/ja801058h, очень интересный материал для владеющих английским, однако нам в рамках этой публикации более всего интересна мораль той статьи: современные химики, пока в лабораториях – на перспективу на конвейерах, в состоянии создавать стабильные структуры ДНК с заранее заданными свойствами, что открывает безграничные возможности для конструирования биотехнических наноматериалов и практических приложений.Одни научились создавать ДНК, другие – скручивать их хоть в бараний рог. Придут третьи и научатся делать из этого материала всё что угодно – материалы для генной терапии, нанокомпьютеры, вплоть до блуждающих биороботов. И всё же вернёмся к вопросу из начала статьи. Кто станет победителем в схватке за звание "Полупроводник будущего", кто придёт на замену кремнию? Станут ими углеродные нанотрубки или спирали из ДНК? А может быть электроника будущего будет вся сплошь фотонная, или того круче – органическая? Или уж прилетят наконец-то злые роботы из другой галактики и откроют нам тайны термояда, левитации, антигравитации, чтения мыслей на расстоянии и забытый бабушкин рецепт изготовления малинового варенья?Поживём – увидим. А пока что лишь одно можно сказать с большой долей вероятности: кто сможет первым превратить лабораторные эксперименты учёных в массовый конвейерный продукт – того и тапки.