Новый метод проектирования ДНК-структур «сверху вниз»

Исследователи из MIT, Университета штата Аризона и Бейлорского колледжа медицины представили новый метод автоматического проектирования сложных трехмерных структур из ДНК. Работа опубликована в журнале Science.

Суть метода

Метод представляет собой развитие технологии ДНК-оригами, где для сборки наноразмерных объектов используются свойства комплементарности цепей ДНК (A с T, C с G).

Ключевое новшество — полностью автоматизированный топологический дизайн «сверху вниз»:

  1. Исследователь задает только целевую форму в виде каркасной сетки (wireframe mesh).
  2. Разработанный алгоритм DAEDALUS (DNA Origami Sequence Design Algorithm for User-Defined Structures) автоматически вычисляет последовательности и пути укладки необходимых ДНК-нитей.
  3. Система самостоятельно определяет, как должна пройти длинная scaffold-нить и где к ней должны присоединиться короткие staple-нити, чтобы получилась заданная структура.

Это устраняет необходимость вручную проектировать каждую пару оснований, что было трудоемким процессом в классическом ДНК-оригами.

Результаты и проверка

С помощью метода были успешно созданы и охарактеризованы:

  • 35 полиэдрических форм (платоновы, архимедовы, каталановы тела).
  • 6 асимметричных структур.
  • 4 полиэдра с несферической топологией, которые ранее не удавалось реализовать экспериментально.

Структурная точность и стабильность полученных наноформ подтверждены методами крио-электронной микроскопии (cryo-EM). Структуры также показали долгосрочную стабильность в условиях, имитирующих биологические (сыворотка, низкая концентрация соли).

Значение и перспективы

Метод значительно расширяет доступность ДНК-нанотехнологий за пределы узкого круга специалистов и открывает новые возможности для приложений:

  • Нанороботы для целевой доставки лекарств.
  • Конструирование биомиметических систем, имитирующих вирусы или фотосинтетические комплексы.
  • Создание наноразмерных оптических устройств.
  • Использование ДНК как сверхплотного и долговечного носителя информации (ДНК-память).

Как отмечает соавтор работы Хао Ян, это исследование демонстрирует успех междисциплинарного сотрудничества, объединяющего компьютерный дизайн, молекулярную биологию и структурную визуализацию.