Крестики нолики с ДНК. Примерно год назад ученые Caltech в лаборатории Лулу Цянь, доцента биоинженерии, объявили, что использовали технику, известную как ДНК-оригами, для создания плиток, которые могут быть разработаны для самостоятельной сборки в более крупные наноструктуры с заранее разработанными узорами.Они решили сделать самую маленькую в мире версию легендарной Моны Лизы.

Подвиг был впечатляющим, но у техники было ограничение, похожее на то, что было у масляных красок Леонардо да Винчи: после того, как изображение было создано, его нельзя было легко изменить.

Теперь команда Caltech сделала еще один шаг вперед с технологией. Они создали новые плитки, которые стали более динамичными, что позволило исследователям изменить уже построенные структуры ДНК. Когда Пол Ротемунд из Калифорнийского технологического института (BS '94) впервые в истории разработал ДНК-оригами более десяти лет назад, он использовал эту технику для создания смайлика. Теперь команда Цянь может превратить эту улыбку в недовольство, а затем, если они захотят, перевернуть этот недовольство с ног на голову. И они пошли еще дальше, создав микроскопическую игру в крестики-нолики, в которой игроки размещают свои X и O, добавляя специальные плитки ДНК на игровое поле.

«Мы разработали механизм для программирования динамических взаимодействий между сложными наноструктурами ДНК», — говорит Цянь. «Используя этот механизм, мы создали самую маленькую игровую доску в мире для игры в крестики-нолики, где каждое движение включает в себя молекулярную самоконфигурацию для одновременного обмена сотнями нитей ДНК».

Мханизм для создания ДНК-роботов

Этот механизм обмена сочетает в себе две ранее разработанные нанотехнологии ДНК. Он использует строительные блоки из одного и общую концепцию из другого: самосборные плитки, которые были использованы для создания крошечной Моны Лизы; и смещение нитей, которое использовалось командой Цяня для создания ДНК-роботов.

Обе технологии используют способность ДНК программироваться посредством расположения ее молекул. Каждая нить ДНК состоит из основной цепи и четырех типов молекул, известных как основания. Эти основания — аденин, гуанин, цитозин и тимин, сокращенно обозначенные как A, T, C и G — могут быть расположены в любом порядке, причем порядок представляет информацию, которую могут использовать клетки, или, в данном случае, инженерные наномашины.

Второе свойство ДНК, которое делает его полезным для построения наноструктур, заключается в том, что основания A, T, C и G имеют естественную тенденцию к спариванию со своими аналогами. Пары оснований A с T и пары C с G. По расширению, любая последовательность оснований может захотеть соединиться с дополнительной последовательностью. Например, ATTAGCA захочет соединиться с TAATCGT.

Пара комплементарных последовательностей ДНК

Пара комплементарных последовательностей ДНК, связанных вместе. Фото: Калифорнийский технологический институт

Однако последовательность также может быть спарена с частично совпадающей последовательностью. Если бы ATTAGCA и TAATACC были объединены, их части ATTA и TAAT были бы спарены, и несопоставимые части свисали бы с концов. Чем ближе две нити дополняют друг друга, тем больше они притягиваются друг к другу и тем сильнее они связаны.

Частично спаренные нити ДНК

Частично спаренные нити ДНК оставляют непарные последовательности свисающими с концов. Фото: Калифорнийский технологический институт

Чтобы представить, что происходит при смещении прядей, представьте себе двух людей, которые встречаются и имеют несколько общих черт. Эми любит собак, походы в кино, походы на пляж. Адам любит собак, походы и дегустацию вин. Они связаны своим общим интересом к собакам и походам. Тогда другой человек входит в картину. Эдди любит собак, походы, фильмы и боулинг. Эми понимает, что у нее три общих черты с Эдди и только две общие с Адамом. Эми и Эдди оказываются сильно привлеченными друг к другу, и Адама бросают — как смещенную нить ДНК.

Эми и Адам объединились, как комплементарные нити ДНК

Эми и Адам объединились, как комплементарные нити ДНК. Фото: Калифорнийский технологический институт

 

У Эдди и Эми больше общего, и их связь сильнее

У Эдди и Эми больше общего, и их связь сильнее. Как и в случае смещения нитей ДНК, Эми уходит с Эдди. Фото: Калифорнийский технологический институт

Адам теперь один, очень похожий на вытесненную нить ДНК

Адам теперь один, очень похожий на вытесненную нить ДНК. Фото: Калифорнийский технологический институт.

Другая технология, самоорганизующаяся плитка, объяснить проще. По сути, плитки, хотя и имеют квадратную форму, спроектированы так, чтобы вести себя как кусочки мозаики. Каждая плитка имеет свое место в собранном изображении, и она подходит только в этом месте.

Создавая свою новую технологию, команда Цяня наделила самоорганизующиеся плитки способностями смещения. Результатом являются плитки, которые могут найти свое назначенное место в структуре и затем удалить плитку, которая уже занимает эту позицию. Принимая во внимание, что Эдди просто связан с одним человеком, заставляя другого быть выброшенным на обочину, плитки больше похожи на приемного ребенка, который настолько крепко связан с новой семьей, что отнимает титул «любимый» у биологического потомства.

«В этой работе мы изобрели механизм смещения плитки, который следует абстрактному принципу смещения нитей, но происходит в большем масштабе между структурами ДНК-оригами», — говорит бывший аспирант Циана Филипп Петерсен (Ph.D. '18), ведущий Автор исследования. «Это первый механизм, который можно использовать для программирования динамического поведения в системах с множеством взаимодействующих структур ДНК-оригами».

Давай поиграем

Чтобы начать игру в крестики-нолики, команда Цянь перепутала раствор пустых плиток на доске в пробирке. Как только доска собрана, игроки по очереди добавляют либо X, либо O плиток к решению. Из-за программируемой природы ДНК, из которой они сделаны, плитки были спроектированы так, чтобы скользить в определенные места на доске, заменяя пустые плитки, которые были там. Например, X-плитка может быть спроектирована так, чтобы скользить только в нижний левый угол доски. Игроки могут поместить X или O в любое пустое место, которое они хотят, используя плитки, предназначенные для того, чтобы идти туда, куда они хотят. После шести дней захватывающего геймплея игрок X вышел победителем.

Очевидно, что ни один из родителей не будет спешить, чтобы купить своим детям игру в крестики-нолики, в которую можно играть почти неделю, но крестики-нолики на самом деле не главное, говорит Григорий Тихомиров, старший научный сотрудник и один из первых Автор исследования. Цель состоит в том, чтобы использовать технологию для разработки наномашин, которые можно модифицировать или ремонтировать после того, как они уже построены. «Когда вы приобретете спущенную шину, вы, скорее всего, просто замените ее вместо покупки новой машины. Такой ручной ремонт невозможен для наноразмерных машин », — говорит он. «Но благодаря этому процессу перемещения плитки, который мы обнаружили, становится возможным заменять и модернизировать несколько деталей машин с наноразмерными размерами, чтобы сделать их более эффективными и сложными».

Их статья под названием «Информационная автономная реконфигурация в системах взаимодействующих наноструктур ДНК» появляется в номере Nature Communications от 18 декабря.

По материалам сайта phys.org