Ученые Нью-Йоркского университета разработали искусственные структуры, способные к самовоспроизведению, и этот процесс может привести к созданию новых типов материалов. В естественном мире самовоспроизведение распространено во всех живых существах, но искусственное самовоспроизведение было неуловимым. Новое открытие является первым шагом на пути к общему процессу самовоспроизведения широкого спектра произвольно сконструированных семян. Семена состоят из мотивов фрагментов ДНК, которые служат буквами, образующими определенное слово. Процесс репликации сохраняет последовательность букв и форму семени и, следовательно, информацию, необходимую для производства следующих поколений.
Работа, проведенная исследователями факультетов химии и физики Нью-Йоркского университета и его Центра исследований мягких веществ, опубликована в последнем номере журнала Nature.
Этот процесс имеет большие перспективы для создания новых материалов. ДНК - это надежный функциональный объект, который может организовывать себя и другие молекулы в сложные структуры. Совсем недавно ДНК также использовалась для организации неорганической материи, такой как металлические частицы. Воссоздание учеными Нью-Йоркского университета этого типа сборки в лаборатории открывает перспективы для возможной разработки самовоспроизводящихся материалов, обладающих широким спектром моделей и способных выполнять множество функций. Прорыв, достигнутый исследователями Нью-Йоркского университета, - это воспроизведение системы, содержащей сложную информацию. Таким образом, репликация этого материала, как и ДНК в клетке, не ограничивается повторяющимися паттернами.
Чтобы продемонстрировать этот процесс самовоспроизведения, ученые из Нью-Йоркского университета создали искусственные фрагменты ДНК - короткие фрагменты ДНК размером в нанометры. Каждая плитка служит буквой - A или B - которая распознает и связывает дополнительные буквы A' или B'. В естественном мире процесс репликации ДНК включает в себя комплементарные совпадения между основаниями - парами аденина (А) с тимином (Т) и парами гуанина (G) с цитозином (С) - для формирования привычной двойной спирали. Напротив, исследователи из Нью-Йоркского университета разработали искусственную плитку или мотив, названный BTX (молекулы изогнутой тройной спирали, содержащие три двойные спирали ДНК), где каждая молекула BTX состоит из 10 нитей ДНК. В отличие от ДНК, код BTX не ограничен четырьмя буквами - в принципе, он может содержать квадриллионы различных букв и плиток, которые соединяются, используя комплементарность четырех одиночных нитей ДНК, или «липких концов», на каждой плитке, образуя шесть -пучок спирали.
Для достижения саморепликации массивов тайлов BTX необходимо начальное слово для катализа нескольких поколений идентичных массивов. Семя BTX состоит из последовательности семи плиток - семибуквенного слова. Чтобы вызвать процесс самовоспроизведения, семя помещают в химический раствор, где оно собирает дополнительные фрагменты, чтобы сформировать «дочерний массив BTX» - дополнительное слово. Затем дочерний массив отделяют от затравки путем нагревания раствора до ~ 40 oC. Затем процесс повторяется. Дочерний массив связывается со своими комплементарными плитками, образуя «внучатый массив», тем самым достигая самовоспроизведения материала и информации в семени - и, следовательно, воспроизводя последовательность в исходном семенном слове. Примечательно, что этот процесс отличается от процессов репликации, происходящих внутри клетки, поскольку в его осуществлении не используются никакие биологические компоненты, в частности ферменты - даже ДНК является синтетической.
«Это первый шаг в процессе создания искусственных самовоспроизводящихся материалов произвольного состава», - сказал Пол Чайкин, профессор физического факультета Нью-Йоркского университета и один из соавторов исследования.«Следующая задача - создать процесс, в котором самовоспроизведение происходит не только в течение нескольких поколений, но и достаточно долго, чтобы демонстрировать экспоненциальный рост».
Хотя наш метод репликации требует нескольких циклов химической и термической обработки, мы продемонстрировали, что можно реплицировать не только молекулы, такие как клеточная ДНК или РНК, но и дискретные структуры, которые в принципе могут принимать самые разные формы, иметь множество различные функциональные особенности и быть связанными со многими различными типами химических веществ», - добавил Надриан Симан, профессор химического факультета Нью-Йоркского университета и соавтор исследования.
Исследование было поддержано грантами W. M. Keck Foundation, Программа MRSEC Национального научного фонда, Национальный институт общих медицинских наук, Управление армейских исследований, НАСА и Управление военно-морских исследований.