«ДНК-клей» для самосборки трехмерных структур

Трёхмерные наноструктуры можно делать с помощью ДНК-клея

Кирилл Стасевич, Компьюлента

Используя искусственную ДНК в качестве «программируемого клея», можно собирать гелевые 3D-конструкции заданной формы размером до 1 мм.

Наши органы состоят из функциональных единиц, которые точно подходят друг к другу – как, например, доли и сегменты печени. В свою очередь, эти функциональные единицы образуются благодаря согласованному поведению клеток, которые соединяются друг с другом так, как следует, а не как придётся. Можно сказать, что развивающийся орган – это самосборочная структура, программа для производства которой заключается в ней самой.

Исследователи давно пытаются воспроизвести самосборочные процессы, происходящие в организме, чтобы можно было получать трёхмерную структуру с заранее заданными свойствами. Такие объекты, сложенные из биологических макромолекул или из какого-либо ещё биосовместимого материала, пришлись бы очень кстати в тканевой инженерии, где одна из самых трудных задач – именно создание объёмных тканевых структур.

Главный вопрос – как запрограммировать строительные блоки на то, чтобы они соединялись нужным образом. Когда речь заходит о программировании в биологии, в голову в первую очередь приходит ДНК, чья молекула, как известно, состоит из двух цепей, которые удерживаются вместе благодаря комплементарному совпадению нуклеотидных последовательностей друг у друга. Исследователи из Гарварда (США) в конце концов сумели создать трёхмерные структуры из ДНК-кирпичиков, которые взаимодействовали друг с другом в определённом порядке и могли образовывать целый ряд пространственных структур.

В новой статье, появившейся в Nature Communications (Qi et al., DNA-directed self-assembly of shape-controlled hydrogels), Пэн Инь и его коллеги описывают модификацию этого метода: в качестве строительных блоков использовались гелевые кубики, которые крепились друг к другу с помощью фрагментов ДНК. Собственно говоря, поначалу учёные пытались собрать что-то из обычных кубиков гидрогеля, но такие блоки взаимодействовали друг с другом, как им хотелось, и в итоге учёные придумали, как снабдить их строительной программой.

Из множества коротких нитей ДНК с известной последовательностью делалась единая длинная нитка, которая состояла из участков с повторяющейся последовательностью нуклеотидов. Затем её оборачивали вокруг кубика гидрогеля: теперь он мог прилипнуть только к такому кубику, который был обёрнут ДНК, комплементарной его собственной.

Схема взаимодействия двух гелевых кубиков, обёрнутых в комплементарные нити ДНК
(здесь и ниже иллюстрации Peng Yin / Wyss Institute).

Однако и сами кубики были лишь соединительными элементами: их прикрепляли к более крупным блокам. Маленькие кубики с ДНК теперь играли роль стыковочных блоков для крупных «кирпичей», частью которых он становились.

ДНК служила чем-то вроде цементного раствора, или, как выражаются сами авторы работы, программируемого клея, программой которого была нуклеотидная последовательность.

Учёные сумели собрать таким образом структуры в широком диапазоне размеров – от 30 мкм до 1 мм. Но самое важное здесь то, что из таких элементов можно было сделать структуры с разными линейными параметрами: можно было составить их в цепь, объединить в большой куб, сделать Т-образную структуру – всё зависело от того, что за программа будет у ДНК-клея и как будут располагаться ДНК-гелевые стыковочные элементы.

Образование запрограммированной структуры из нескольких гелевых элементов
со специфичными стыковочными ДНК-гелевыми кубиками.

Как полагают авторы работы, этот метод уже сейчас может пригодиться тем, кто занимается выращиванием трёхмерных клеточных структур. Скажем, такие гелевые кубики могут содержать в себе клетки, которые после исчезновения гелевой оболочки окажутся друг рядом с другом именно в том порядке, который нужен исследователю.

Подготовлено по материалам Harvard Gazette: DNA glue directs tiny gel ‘bricks’ to self-assemble.

Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
11.09.2013