В течение последних 20 лет ученые пытались сконструировать большие кристаллы ДНК с точно заданной глубиной и сложными характеристиками — квест дизайна, только что выполненный командой Гарвардского института биологической инженерии Висса. Команда построила 32 кристалла ДНК с точно определенной глубиной и набором сложных трехмерных (3D) функций, о чем сообщается в Nature Chemistry.Команда использовала свой метод «самосборки ДНК-кирпичиков», который был впервые представлен в публикации Science 2012 года, когда они создали более 100 сложных трехмерных наноструктур размером с вирус. Недавно полученные периодические кристаллические структуры более чем в 1000 раз больше, чем эти дискретные структуры ДНК-кирпичиков, по размеру ближе к пылинке, что на самом деле довольно велико в мире ДНК-нанотехнологий.
«Мы очень рады, что наш подход, основанный на блоке ДНК, решил эту проблему», — сказал старший автор и член основного факультета Института Висс Пэн Инь, доктор философии, который также является доцентом системной биологии в Гарвардской медицинской школе, «и мы были действительно удивлены тем, насколько хорошо это работает ".Ученые изо всех сил пытались кристаллизовать сложные трехмерные наноструктуры ДНК, используя более традиционные методы самосборки. Риск ошибки имеет тенденцию увеличиваться со сложностью структурных повторяющихся единиц и размером собираемого кристалла ДНК.
В методе кирпичиков ДНК используются короткие синтетические нити ДНК, которые работают как блокирующие кубики Lego® для создания сложных структур. Структуры сначала конструируются с использованием компьютерной модели молекулярного куба, который становится основным холстом. Каждый кирпич добавляется или удаляется независимо от мастер-холста 3D, чтобы получить желаемую форму, а затем дизайн приводится в действие: нити ДНК, которые совпадают для достижения желаемой структуры, смешиваются вместе и самостоятельно собираются для достижения нужной формы. спроектированные кристаллические структуры.
«В этом заключается ключевая отличительная черта нашей стратегии проектирования — ее модульность», — сказал со-ведущий автор Йонгган Кэ, доктор философии, бывший научный сотрудник Института Висс, а теперь доцент Технологического института Джорджии и Университета Эмори. . «Возможность просто добавлять или удалять части с основного холста позволяет легко создавать практически любой дизайн».Модульность также позволяет относительно легко точно определить глубину кристалла. «Это первый раз, когда кто-либо продемонстрировал способность рационально спроектировать глубину кристалла с нанометровой точностью, до 80 нм в этом исследовании», — сказал Кэ. Напротив, предыдущие двумерные решетки ДНК обычно представляют собой однослойные структуры с глубиной всего 2 нм.«Кристаллы ДНК привлекательны для применения в нанотехнологиях, потому что они состоят из повторяющихся структурных единиц, которые обеспечивают идеальный шаблон для масштабируемых конструктивных особенностей», — сказала соавтор исследования, аспирант Лувена Онг.
Кроме того, в рамках этого исследования команда продемонстрировала способность размещать наночастицы золота в заданных 2D-архитектурах на расстоянии менее двух нанометров друг от друга вдоль кристаллической структуры — критическая особенность для будущих квантовых устройств и значительный технический прогресс для их масштабируемого производства. — сказал со-ведущий автор Вэй Сун, доктор философии, научный сотрудник Института Висс.«Мои предвзятые представления об ограничениях ДНК постоянно разрушались нашими новыми достижениями в области нанотехнологий ДНК», — сказал Уильям Ши, доктор философии, который является соавтором исследования и одним из основателей основного факультета Института Висса. как доцент кафедры биологической химии и молекулярной фармакологии Гарвардской медицинской школы и кафедры биологии рака Института рака Дана-Фарбер. «Нанотехнология ДНК теперь позволяет нам собирать программируемым способом заданные структуры, сопоставимые по сложности со многими молекулярными машинами, которые мы видим в Природе».
«Команда Пэна использует метод самосборки из ДНК-кирпичиков, чтобы создать фундамент для нового ландшафта ДНК-нанотехнологий впечатляющими темпами», — сказал директор-основатель Wyss Institute Дон Ингбер, доктор медицинских наук, доктор философии. «То, что было простым видением того, как молекула ДНК может быть использована для развития всего, от полупроводниковой промышленности до биофизики, быстро становится реальностью».