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:
- Алгоритм представляет объект в виде гладкого непрерывного контура его поверхности.
- Поверхность разбивается на серию полигональных форм.
- 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
- 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.
- Доставка CRISPR-Cas9: ДНК-наночастицы способны нести более крупные генетические "посылки", чем вирусные векторы, и их легко снабдить молекулами для таргетинга на нужные клетки.
- 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.
