Автоматизация ДНК-оригами открывает путь к новым применениям

Сложные нанометровые структуры практически любой формы можно создавать из нитей ДНК. Однако эти частицы приходится проектировать вручную, что является сложным и трудоемким процессом.

Это ограничивало использование техники, известной как ДНК-оригами, лишь узким кругом экспертов.

Исследователи из MIT и других учреждений разработали алгоритм, способный автоматически создавать такие ДНК-наночастицы.

Этот алгоритм, описанный вместе с новым подходом к синтезу в журнале Science, может позволить применять технику для разработки наночастиц в гораздо более широком спектре областей: каркасов для вакцин, носителей для инструментов редактирования генов (например, CRISPR-Cas9) и архивного хранения данных в ДНК.

Как работает алгоритм

В отличие от традиционного подхода, где структуру собирают вручную, алгоритм начинает с простого 3D-геометрического представления конечной формы объекта, а затем определяет, как его собрать из ДНК.

"Наша статья меняет подход: вместо того чтобы эксперт проектировал необходимую ДНК, отправной точкой становится сам объект, а алгоритм автоматически определяет нужные последовательности ДНК", — говорит Марк Бейт, ведущий автор исследования.

Процесс проектирования:

  1. Алгоритм представляет объект в виде гладкого непрерывного контура его поверхности.
  2. Поверхность разбивается на серию полигональных форм.
  3. По всей структуре прокладывается длинная одиночная нить ДНК (скаффолд), которая действует как нить, скрепляющая конструкцию.

Маршрутизация скаффолда выполняется за один быстрый и эффективный шаг, который работает для объекта любой 3D-формы.

"Это мощная часть алгоритма, потому что она не требует ручного вмешательства и гарантированно работает для любого 3D-объекта", — отмечает Бейт.

DAEDALUS против аналогов

Алгоритм получил название DAEDALUS (DNA Origami Sequence Design Algorithm for User-defined Structures).

  • Он может создавать любой тип 3D-формы с замкнутой поверхностью, включая формы с одним или несколькими отверстиями (например, тор).
  • В отличие от алгоритма, опубликованного ранее в Nature, который способен проектировать только поверхности сферических объектов и требует ручного вмешательства, DAEDALUS полностью автоматизирован и универсален.

Стратегия синтеза была подтверждена с помощью 3D-реконструкций крио-электронной микроскопии.

Перспективные применения

  1. Вакцины: Поверхность наночастиц можно функционализировать пептидами и белками в заданных местах, чтобы точно имитировать вирус для иммунной системы. Частицы стабильны в сыворотке крови более 6 часов.
  2. Доставка CRISPR-Cas9: ДНК-наночастицы способны нести более крупные генетические "посылки", чем вирусные векторы, и их легко снабдить молекулами для таргетинга на нужные клетки.
  3. Хранение данных в ДНК: Наночастицы могут служить структурированными и защищенными блоками памяти. Каждая частица подобна странице или главе книги, а доступ к данным упрощается, как поиск по библиотечной карточке.

"Самое захватывающее — это возможность значительно расширить круг исследователей, применяющих эту технологию, подобно тому, как 3D-печать сделала сложные 3D-модели доступными на макроскопическом уровне", — заключает Марк Бейт.