Программное обеспечение позволяет исследователям создавать крошечные объекты из ДНК

Прочитано: 70 раз(а)


Полюбуйтесь крошечными наноструктурами, созданными в исследовательских лабораториях Университета Дьюка и Университета штата Аризона, и легко представить, что вы просматриваете каталог самых маленьких гончарных изделий в мире.

Новый документ раскрывает некоторые творения команд: крошечные вазы, миски и полые сферы, спрятанные одна внутри другой, как предметы домашнего обихода для русской матрешки.

Но вместо того, чтобы делать их из дерева или глины, исследователи разработали эти объекты из нитевидных молекул ДНК, согнутых и сложенных в сложные трехмерные объекты с нанометровой точностью.

Эти творения демонстрируют возможности новой программы с открытым исходным кодом, разработанной Дюком, доктором философии. студент Дэн Фу со своим советником Джоном Рейфом. Программное обеспечение, описанное 23 декабря в журнале Science Advances, позволяет пользователям брать рисунки или цифровые модели округлых форм и превращать их в трехмерные структуры, состоящие из ДНК.

Наноструктуры ДНК были собраны и изображены соавторами Рагху Прадипом Нараянаном и Абхай Прасадом в лаборатории профессора Хао Яна в штате Аризона. Каждый крошечный полый объект не превышает двух миллионных долей дюйма в поперечнике. Более 50 000 из них могут поместиться на булавочной головке.

Но исследователи говорят, что это больше, чем просто нано-скульптуры. Программное обеспечение может позволить исследователям создавать крошечные контейнеры для доставки лекарств или формы для отливки металлических наночастиц определенной формы для солнечных элементов , медицинских изображений и других приложений.

Для большинства людей ДНК — это план жизни; генетические инструкции для всех живых существ, от пингвинов до тополей. Но для таких команд, как Райф и Ян, ДНК — это больше, чем носитель генетической информации — это исходный код и строительный материал.

В генетическом коде ДНК есть четыре «буквы», или основания, которые предсказуемым образом соединяются в наших клетках, образуя ступени лестницы ДНК. Именно эти строгие свойства спаривания оснований ДНК — А с Т и С с G — использовали исследователи. Создавая нити ДНК с определенными последовательностями, они могут «запрограммировать» нити, чтобы они складывались в разные формы.

Этот метод включает в себя складывание одного или нескольких длинных фрагментов одноцепочечной ДНК длиной в тысячи оснований с помощью нескольких сотен коротких нитей ДНК, которые связываются с комплементарными последовательностями на длинных цепях и «сшивают» их на месте.

Исследователи экспериментируют с ДНК в качестве строительного материала с 1980-х годов. Первыми трехмерными фигурами были простые кубы, пирамиды, футбольные мячи — геометрические фигуры с грубыми и блочными поверхностями. Но проектирование структур с изогнутыми поверхностями, более похожими на те, что встречаются в природе, было сложной задачей. Цель команды состоит в том, чтобы расширить диапазон форм, которые возможны с помощью этого метода.

Для этого Фу разработал программное обеспечение DNAxiS . Программное обеспечение основано на способе построения с использованием ДНК , описанном в 2011 году Яном, который 20 лет назад был постдоком у Рейфа в Университете Дьюка, прежде чем поступить на факультет штата Аризона. Он работает путем скручивания длинной двойной спирали ДНК в концентрические кольца , которые накладываются друг на друга, образуя контуры объекта, подобно использованию витков глины для изготовления горшка. Чтобы сделать конструкции прочнее, команда также сделала возможным усиление их дополнительными слоями для повышения устойчивости.

Фу демонстрирует разнообразие форм, которые они могут создавать: шишки, тыквы, листья клевера. DNAxiS — это первый программный инструмент, который позволяет пользователям создавать такие формы автоматически, используя алгоритмы для определения того, где разместить короткие «скрепки» ДНК, чтобы соединить более длинные кольца ДНК вместе и удерживать форму на месте.

«Если их слишком мало или они находятся в неправильном положении, структура не сформируется правильно», — сказал Фу. «До нашего программного обеспечения кривизна форм делала эту проблему особенно сложной».

Например, имея модель грибовидной формы, компьютер выдает список цепочек ДНК, которые самособерутся в правильную конфигурацию. После того, как нити синтезированы и смешаны в пробирке , все остальное происходит само собой: при нагревании и охлаждении смеси ДНК всего за 12 часов «она как бы волшебным образом сворачивается в наноструктуру ДНК», — сказал Рейф.

По словам исследователей, до практического применения их программного обеспечения для проектирования ДНК в лаборатории или клинике могут пройти годы. Но «это большой шаг вперед с точки зрения автоматизированного проектирования новых трехмерных структур», — сказал Рейф.

Программное обеспечение позволяет исследователям создавать крошечные объекты из ДНК



Новости партнеров