Нанокартины, плюшевые мишки и абстрактные формы: исследователи использовали способность ДНК к самосборке для создания совершенно новых наноконструкций. Начиная с небольшого набора различных нитей ДНК, генетические молекулы объединяются во все более и более крупные плитки или коробки. Конечным результатом являются трехмерные фигуры, содержащие до 10 000 строительных блоков, и нано-произведения искусства, такие как миниатюрная Мона Лиза.
Генетическая молекула ДНК является гениальной конструкцией природы благодаря своим четырем «буквам жизни» - основаниям ДНК. Поскольку совпадают только две базы, код можно скопировать и, таким образом, передать дочерним клеткам. Однако связывание комплементарных оснований ДНК также позволяет создавать из ДНК совершенно новые формы и компоненты. В ДНК-оригами исследователи используют эту склонность к самосборке, чтобы собирать нити ДНК в ткани, похожие на паутину, трехмерные коробки и даже нанороботы.
ДНК Медведя и Нано Лизы
Теперь две группы исследователей сделали ДНК-оригами еще один шаг вперед, разработав методы, с помощью которых ДНК собирается в сложные трехмерные формы или изображения. Лувена Онг из Гарвардского университета и ее команда собрали до 10 000 отдельных коробок ДНК, чтобы сначала организовать их в более крупные строительные блоки, а затем в трехмерную фигуру медведя.
Григорий Тихомиров и его команда в Калифорнийском технологическом институте сначала создали плоские плитки ДНК, которые затем, руководствуясь их специфической структурой, собрали в более крупные единицы и, наконец, в миниатюрную картину. Используя эту технику, они создали нановерсию знаменитой Моны Лизы Леонардо да Винчи - самой маленькой Моны Лизы в мире.
Программное обеспечение определяет строительные блоки и порядок
Принцип, лежащий в основе этого: Обе исследовательские группы разработали специальное программное обеспечение, которое на основе желаемой формы определяет, какие конкретные последовательности должны иметь основные строительные блоки ДНК и сколько различных типов их требуется. На следующем шаге программа определяет порядок и комбинацию, в которой все более крупные строительные блоки должны собираться в реакционных сосудах.
Исходя из этих инструкций по сборке, исследователям нужно всего лишь синтезировать соответствующие нити ДНК и смешать их в заданном порядке.«Этот иерархический подход позволяет нам создавать структуры увеличивающегося размера и, в принципе, неограниченного разнообразия форм всего лишь из небольшого набора уникальных строительных блоков - в данном случае нитей ДНК с особыми последовательностями», - говорит Тихомиров.
От плитки и коробок до формы на заказ
Исследователи называют этот принцип построения фрактальным производством, потому что принципы построения повторяются в разных порядках. Точнее говоря, плитки или коробки, созданные из нитей ДНК, самообъединяются во все более и более крупные, каждая из которых похожа на себя, плитки или коробки.
Только к концу этого пошагового процесса вариации в их структуре приводят к выражению желаемых, различных форм. Как объясняют исследователи, этот принцип построения подобен нашему телу. Потому что все наши клетки имеют одинаковый геном и одни и те же основные строительные блоки, но используют их по-разному - и могут строить разные ткани, такие как нервы, мышцы и кости.
Конструкции размером с бактерию
Используя свои методы, обе исследовательские группы преуспели в том, чтобы привести ДНК к самоорганизации гораздо более крупных и сложных структур, чем это было возможно ранее. Онг и ее команда создали буквы, плюшевых мишек и спиралевидные формы примерно из 10 000 коробок ДНК, а нанокартины Тихомирова и его коллег достигли размеров до 0,5 квадратных микрометра и почти 9000 «пикселей».
«Этот производственный метод прост в реализации и облегчит создание передовых материалов и наномашин», - говорят Тихомиров и его коллеги. «Эти наноструктуры ДНК могут достигать размера даже бактерии».