Точно так же, как страны импортируют широкий спектр потребительских товаров через национальные границы, живые клетки вовлечены в оживленный импортно-экспортный бизнес. Их входные порты представляют собой сложные транспортные каналы, встроенные в защитную мембрану клетки. Регулирование того, какие виды грузов могут проходить через границы, образованные двухслойной мембраной клетки, необходимо для правильного функционирования и выживания.

В новом исследовании профессор Аризонского государственного университета Хао Ян вместе с коллегами из ASU и международными сотрудниками из Университетского колледжа Лондона описывают дизайн и конструкцию искусственных мембранных каналов, созданных с использованием коротких сегментов ДНК. Структуры ДНК во многом напоминают естественные клеточные каналы или поры, предлагая избирательный транспорт ионов, белков и других грузов с улучшенными характеристиками, недоступными для их природных аналогов.

Эти инновационные ДНК-наноканалы однажды могут быть применены в различных научных областях, начиная от применения биосенсоров и доставки лекарств и заканчивая созданием сетей искусственных клеток, способных автономно захватывать, концентрировать, хранить и доставлять микроскопический груз .

«Многие биологические поры и каналы являются обратимыми воротами, позволяющими проходить ионам или молекулам», — говорит Ян. Здесь мы эмулируем эти природные процессы для создания нанопор ДНК, которые могут закрываться и открываться в ответ на внешние «ключевые» или «запирающие» молекулы».

Профессор Ян является заслуженным профессором химии и биохимии Милтона Д. Глика в АГУ и руководит Центром молекулярного дизайна и биомиметики биодизайна. Он также является профессором Школы молекулярных наук АГУ.

Результаты исследования опубликованы в текущем выпуске журнала Nature Communications.

Все живые клетки окружены уникальной биологической структурой — клеточной мембраной . Научный термин для таких мембран — фосфолипидный бислой, означающий, что мембрана образована из молекул фосфата, присоединенных к жировому или липидному компоненту, с образованием внешнего и внутреннего слоев мембраны.

Эти внутренние и внешние мембранные слои немного напоминают внутреннюю и внешнюю стены комнаты. Но в отличие от обычных стен, пространство между внутренней и внешней поверхностями жидкое, напоминающее море. Кроме того, говорят, что клеточные мембраны являются полупроницаемыми, что позволяет определенному грузу входить или выходить из клетки. Такой транспорт обычно происходит, когда транзитный груз связывается с другой молекулой, изменяя динамику структуры канала, чтобы обеспечить вход в клетку, что-то вроде открытия Панамского канала.

Полупроницаемые клеточные мембраны необходимы для защиты чувствительных ингредиентов внутри клетки от враждебной внешней среды, обеспечивая при этом транзит ионов, питательных веществ, белков и других жизненно важных биомолекул.

Исследователи, в том числе Ян, изучили возможность синтетического создания селективных мембранных каналов, используя технику, известную как нанотехнология ДНК. Основная идея проста. Двойные нити ДНК, формирующие генетическую схему всех живых организмов, удерживаются вместе за счет спаривания оснований 4 нуклеотидов молекулы, помеченных A, T, C и G. Применяется простое правило, а именно: нуклеотиды A всегда соединяются с T и C с G. Таким образом, сегмент ДНК ATTCTCG будет образовывать комплементарную цепь с CAAGAGC.

Спаривание оснований ДНК позволяет синтетически создавать практически безграничные массивы или 2- и 3D-наноструктуры. После того, как структура была тщательно разработана, обычно с помощью компьютера, сегменты ДНК могут быть смешаны вместе и самособерутся в растворе в желаемую форму.

Однако создание полупроницаемого канала с использованием ДНК-нанотехнологий оказалось сложной задачей. Обычные методы не смогли воспроизвести структуру и возможности естественных мембранных каналов, а синтетические нанопоры ДНК обычно допускают только одностороннюю транспортировку груза.

В новом исследовании описывается инновационный метод, позволяющий исследователям спроектировать и сконструировать канал из синтетической мембраны, размер пор которого позволяет транспортировать более крупные грузы, чем естественные клеточные каналы. В отличие от предыдущих попыток создать нанопоры ДНК, прикрепленные к мембранам, новый метод строит структуру канала шаг за шагом, собирая составляющие сегменты ДНК горизонтально по отношению к мембране, а не вертикально. Этот метод позволяет создавать нанопоры с более широкими отверстиями, что позволяет транспортировать большее количество биомолекул.

Кроме того, конструкция ДНК позволяет выборочно открывать и закрывать канал с помощью откидной крышки, оснащенной замком и механизмом ключа. «Ключи» состоят из цепочек ДНК с определенной последовательностью, которые связываются с крышкой канала и вызывают его открытие или закрытие.

В серии экспериментов исследователи демонстрируют способность ДНК-канала успешно транспортировать грузы различных размеров, от крошечных молекул красителя до складчатых белковых структур, некоторые из которых больше, чем размеры пор естественных мембранных каналов.

Исследователи использовали атомно-силовую микроскопию и просвечивающую электронную микроскопию, чтобы визуализировать полученные структуры, подтвердив, что они соответствуют исходным спецификациям дизайна наноструктур.

Молекулы флуоресцентного красителя были использованы для проверки того, что каналы ДНК успешно проникают и внедряются через липидный бислой клетки, успешно обеспечивая селективное проникновение транспортных молекул. Операция транспортировки была выполнена в течение 1 часа после образования канала , что является значительным улучшением по сравнению с предыдущими нанопорами ДНК, которые обычно требовали 5-8 часов для полного прохождения биомолекулы.

Наноканалы ДНК можно использовать для захвата и изучения белков и тщательного изучения их взаимодействия с биомолекулами, с которыми они связываются, или для изучения быстрого и сложного сворачивания и разворачивания белков. Такие каналы также можно использовать для тонкого контроля над входящими в клетки биомолекулами, предлагая новое окно для адресной доставки лекарств. Многие другие возможные приложения, вероятно, возникнут из-за вновь обретенной возможности индивидуального проектирования искусственных самособирающихся транспортных каналов.