Руководство NIST по ДНК-оригами для начинающих

Техника ДНК-оригами позволяет исследователям многократно складывать длинные нити ДНК для создания крошечных 3D-структур, таких как миниатюрные биосенсоры и контейнеры для доставки лекарств. Метод, разработанный в Калифорнийском технологическом институте в 2006 году, привлек сотни ученых, работающих над созданием сенсоров и рецепторов для диагностики и лечения болезней, оценки воздействия загрязнителей и других биологических приложений.

Хотя принципы метода просты, инструменты и методы проектирования новых структур не всегда интуитивно понятны и плохо документированы. У новичков не было единого руководства по эффективному построению структур и избеганию ошибок, которые могут стоить месяцев или лет работы.

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) Джейкоб Маджикс и Алекс Лиддл, много лет изучающие ДНК-оригами, составили первое подробное пошаговое руководство по проектированию наноструктур с использованием современных инструментов. Их работа опубликована 8 января в Journal of Research of the National Institute of Standards and Technology.

«Мы хотели собрать все разработанные инструменты в одном месте и объяснить вещи, о которых нельзя сказать в традиционной научной статье», — отметил Маджикс. — «Обзорные статьи расскажут, что сделали другие, но не как они это сделали».

Принцип и сложности метода

Метод основан на способности комплементарных пар оснований ДНК связываться друг с другом: A (аденин) с T (тимин), а G (гуанин) с C (цитозин). Короткие цепи ДНК выступают в роли «скрепок», удерживая секции длинных цепей в сложенном состоянии или соединяя отдельные нити. Типичный дизайн может требовать около 250 таких «скрепок». Таким образом, ДНК самоорганизуется в заданные формы, создавая наноразмерный каркас для присоединения наночастиц.

Основные сложности, по словам Маджикса, заключаются в следующем:

1. Проектирование 3D-структур на «иностранном языке» — последовательностях оснований A, G, T, C.
2. Использование этих «скрепок» для скручивания и раскручивания двойной спирали ДНК, чтобы придать ей нужную форму.

Ключевые рекомендации авторов

Авторы призывают исследователей укреплять дизайнерскую интуицию, сначала создавая физические 3D-макеты (например, из стержневых магнитов), чтобы понять, какие аспекты процесса складывания критичны. Затем эти модели следует «сплющить» в 2D-представление для совместимости с компьютерными инструментами проектирования, которые обычно работают в двух измерениях.

В руководстве особое внимание уделяется эффективным стратегиям, поскольку некоторые подходы к складыванию ДНК могут быть неэффективными или изначально обреченными на провал.

«Указание на вещи вроде "Вы можете сделать так, но это плохая идея" — такой взгляд не встретишь в традиционной статье. Но поскольку миссия NIST — стимулировать развитие технологий в стране, мы смогли опубликовать эту работу в журнале института», — сказал Маджикс.

Лиддл и Маджикс планируют продолжить работу и выпустить дополнительные материалы, детализирующие успешное изготовление наноразмерных устройств с помощью ДНК.