WikiDer > ДНК оригами

DNA origami
Объект ДНК-оригами из вирусной ДНК, визуализированный электронная томография.[1] Карта находится вверху, а атомная модель ДНК - внизу. (Депонировано в EMDB EMD-2210)

ДНК оригами это складывание в наномасштабе ДНК создавать произвольные двух- и трехмерные формы на наноразмер. Специфика взаимодействия между дополнительные пары оснований сделать ДНК полезным строительным материалом за счет создания ее основных последовательностей.[2] ДНК - это хорошо изученный материал, который подходит для создания каркасов, которые удерживают другие молекулы на месте, или для создания самостоятельных структур.

ДНК-оригами было прикрытием Природа 16 марта 2006 г.[3] С тех пор ДНК-оригами вышло за рамки искусства и нашло множество применений от систем доставки лекарств до использования в качестве схем в плазмонных устройствах; тем не менее, большинство приложений остаются в стадии разработки или тестирования.[4]

Обзор

Идея использования ДНК в качестве строительного материала была впервые представлена ​​в начале 80-х годов ХХ века. Надриан Симан.[5] Современный метод ДНК-оригами был разработан Поль Ротемунд на Калифорнийский технологический институт.[6] Процесс включает в себя складывание одной длинной нити из вирусный ДНК (обычно геномная ДНК длиной 7 249 п.н. Бактериофаг M13) с помощью нескольких более мелких «основных» прядей. Эти более короткие пряди связываются более длинными в различных местах, что приводит к образованию заранее определенной двух- или трехмерной формы.[7] Примеры включают улыбающееся лицо и грубая карта Китая и Америки, а также множество трехмерных структур, таких как кубы.[8]

Чтобы получить желаемую форму, изображения рисуются с растровая заливка одной длинной ДНК молекула. Затем этот рисунок загружается в компьютерную программу, которая рассчитывает размещение отдельных прядей скоб. Каждая скоба связывается с определенной областью матрицы ДНК, и, таким образом, благодаря Базовая пара Уотсона-Крика, необходимые последовательности всех нитей штапеля известны и отображаются. ДНК смешивается, затем нагревается и охлаждается. По мере охлаждения ДНК различные скобы придают длинной нити желаемую форму. Проекты можно непосредственно наблюдать с помощью нескольких методов, в том числе электронная микроскопия, атомно-силовая микроскопия, или флуоресцентная микроскопия когда ДНК соединяется с флуоресцентными материалами.[6]

Вверх дном самосборка Методы считаются перспективными альтернативами, которые предлагают дешевый параллельный синтез наноструктур в относительно мягких условиях.

С момента создания этого метода было разработано программное обеспечение, помогающее процессу с использованием программного обеспечения САПР. Это позволяет исследователям использовать компьютер для определения способа создания правильных скоб, необходимых для формирования определенной формы. Одно из таких программ, называемое caDNAno, представляет собой программное обеспечение с открытым исходным кодом для создания таких структур из ДНК. Использование программного обеспечения не только упростило процесс, но и резко уменьшило количество ошибок, допускаемых при ручных вычислениях.[9][5]

Приложения

В литературе было предложено множество потенциальных применений, в том числе иммобилизация ферментов, системы доставки лекарств и нанотехнологическая самосборка материалов. Хотя ДНК не является естественным выбором для создания активных структур для приложений нанороботов, из-за отсутствия структурной и каталитической универсальности, в нескольких статьях изучалась возможность использования молекулярных ходунков на оригами и переключателей для алгоритмических вычислений.[8][10] В следующих параграфах перечислены некоторые из заявленных применений, проведенных в лабораториях с клиническим потенциалом.

Исследователи из Гарвардский университет Институт Висс сообщили о самосборке и самоуничтожении сосудов для доставки лекарств с использованием ДНК-оригами в лабораторных испытаниях. Созданный ими ДНК-наноробот представляет собой открытую ДНК-трубку с шарниром с одной стороны, который можно закрыть с помощью застежки. Заполненная лекарством трубка с ДНК закрывается ДНК. аптамер, настроенный для выявления и поиска определенного больного родственного белка. Как только нанороботы оригами добираются до инфицированных клеток, аптамеры распадаются и высвобождают лекарство. Первой моделью болезни, которую использовали исследователи, была лейкемия и лимфома.[11]

Исследователи в Национальный центр нанонауки и технологий в Пекин и Университет штата Аризона сообщил о транспортном средстве доставки ДНК-оригами для Доксорубицин, хорошо известный противораковый препарат. Лекарство было нековалентно прикреплено к наноструктурам ДНК-оригами посредством интеркаляции, и была достигнута высокая лекарственная нагрузка. Комплекс ДНК-доксорубицин поглощался раковыми клетками аденокарциномы молочной железы человека (MCF-7) через клеточную интернализацию с гораздо большей эффективностью, чем доксорубицин в свободной форме. Повышение активности уничтожения клеток наблюдалось не только у обычных MCF-7что более важно, также в резистентных к доксорубицину клетках. Ученые предположили, что ДНК-оригами, содержащая доксорубицин, подавляет лизосомный подкисление, что приводит к перераспределению клеточного вещества к участкам действия, что увеличивает цитотоксичность против опухолевых клеток.[12][13]

В исследовании, проведенном группой ученых из iNANO центр и Центр CDNA в Орхусский университет, исследователи смогли сконструировать небольшую трехмерную коробку-оригами с возможностью переключения между двумя объектами. Предлагаемая наночастица характеризовалась AFM, ТЕМ и FRET. Было показано, что сконструированный ящик имеет уникальный механизм повторного включения, который позволяет ему многократно открываться и закрываться в ответ на уникальный набор ключей ДНК или РНК. Авторы предположили, что это «устройство ДНК потенциально может быть использовано для широкого круга приложений, таких как управление функцией отдельных молекул, контролируемая доставка лекарств и молекулярные вычисления».[14]

Нанороботы, сделанные из ДНК-оригами, продемонстрировали вычислительные возможности и выполнили заранее запрограммированную задачу внутри живого организма, о чем сообщила группа биоинженеров из Института Висс Гарвардского университета и Института нанотехнологий и перспективных материалов в Университет Бар-Илан. В качестве доказательства концепции команда ввела различные виды наноботов (скрученная ДНК, содержащая молекулы с флуоресцентный маркеры) в живых тараканов. Отслеживая маркеры внутри тараканов, команда обнаружила точность доставки молекул (высвобождаемых развернутой ДНК) в клетки-мишени, взаимодействия между нанороботами и контролем эквивалентны компьютерной системе. Сложность логических операций, решений и действий возрастает с увеличением количества наноботов. Команда подсчитала, что вычислительную мощность таракана можно увеличить до 8-битного компьютера.[15][16]

ДНК свернута в октаэдр и покрыт одним двойным слоем фосфолипид, имитируя конверт вирус частица. Наночастицы ДНК, каждая размером примерно с вирион, могут оставаться в циркуляции в течение нескольких часов после инъекции мышам. Он также вызывает гораздо более низкий иммунный ответ, чем частицы без покрытия. Исследователи из Института Висса Гарвардского университета сообщают, что он представляет собой потенциальное использование для доставки лекарств.[17][18]

Подобные подходы

Идея использования белковый дизайн для достижения тех же целей, что и ДНК-оригами. Исследователи из Национального института химии в Словении работают над использованием рациональный дизайн из сворачивание белка создавать структуры, похожие на те, что можно увидеть в ДНК-оригами. Основное внимание в текущих исследованиях в области дизайна сворачивания белков уделяется области доставки лекарств, используя антитела, прикрепленные к белкам, как способ создания целевого носителя.[19][20]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Бай, Сяо-чэнь; Мартин, Томас Дж .; Scheres, Sjors H. W.; Диц, Хендрик (2012-12-04). «Крио-ЭМ структура трехмерного объекта ДНК-оригами». Труды Национальной академии наук. 109 (49): 20012–20017. Дои:10.1073 / pnas.1215713109. ISSN 0027-8424. ЧВК 3523823. PMID 23169645.
  2. ^ Zadegan, R.M .; Нортон, M.L (2012). «Структурная нанотехнология ДНК: от дизайна к применению». Int. J. Mol. Наука. 13 (6): 7149–7162. Дои:10.3390 / ijms13067149. ЧВК 3397516. PMID 22837684.
  3. ^ Том 440 (7082) Nature, 16 марта 2006 г.
  4. ^ Сандерсон, Кэтрин (2010). «Биоинженерия: что делать с ДНК-оригами». Природа. 464 (7286): 158–159. Дои:10.1038 / 464158a. PMID 20220817.
  5. ^ а б Симан, Надриан К. (1982-11-21). «Узлы и решетки нуклеиновых кислот». Журнал теоретической биологии. 99 (2): 237–247. Дои:10.1016/0022-5193(82)90002-9. PMID 6188926.
  6. ^ а б Ротемунд, Пол В. К. (2006). «Складывание ДНК для создания наноразмерных форм и узоров» (PDF). Природа. 440 (7082): 297–302. Bibcode:2006Натура.440..297R. Дои:10.1038 / природа04586. ISSN 0028-0836. PMID 16541064.
  7. ^ Дуглас, Шон М .; Дитц, Хендрик; Лидл, Тим; Хёгберг, Бьёрн; Граф, Франциска; Ши, Уильям М. (май 2009 г.). «Самосборка ДНК в наноразмерные трехмерные формы». Природа. 459 (7245): 414–418. Bibcode:2009Натура.459..414D. Дои:10.1038 / природа08016. ISSN 0028-0836. ЧВК 2688462. PMID 19458720.
  8. ^ а б Линь, Чэньсян; Лю, Ян; Ринкер, Шерри; Ян, Хао (2006). «Самосборка на основе ДНК-плитки: построение сложных наноархитектур». ХимФисХим. 7 (8): 1641–7. Дои:10.1002 / cphc.200600260. PMID 16832805.
  9. ^ Дуглас, Шон М .; Marblestone, Adam H .; Тирапиттайанон, Сурат; Васкес, Алехандро; Церковь, Джордж М .; Ши, Уильям М. (1 августа 2009 г.). «Быстрое прототипирование трехмерных форм ДНК-оригами с помощью caDNAno». Исследования нуклеиновых кислот. 37 (15): 5001–5006. Дои:10.1093 / нар / gkp436. ISSN 0305-1048. ЧВК 2731887. PMID 19531737.
  10. ^ ДНК `` организует себя '' на кремнии,Новости BBC, 17 августа 2009 г.
  11. ^ Гард, Дамиан (15 мая 2012 г.). «ДНК-оригами может позволить« автономную »доставку». fiercedrugdelivery.com. Получено 25 мая, 2012.
  12. ^ «Сложенная ДНК становится троянским конем для борьбы с раком». Новый ученый. 18 августа 2012 г.. Получено 22 августа 2012.
  13. ^ Цзян, Цяо; Сонг, Чен; Нангрив, Жанетт; Лю, Сяовэй; Линь, Линь; Цю, Дэнгли; Ван, Чжэнь-Ган; Цзоу, Гочжан; Лян, Синцзе; Ян, Хао; Дин, Баоцюань (2012). «ДНК оригами как средство обхода лекарственной устойчивости». Журнал Американского химического общества. 134 (32): 13396–13403. Дои:10.1021 / ja304263n. PMID 22803823.
  14. ^ М. Задеган, Реза; и другие. (2012). «Конструирование переключаемого блока ДНК из 4 зептолитров оригами». САУ Нано. 6 (11): 10050–10053. Дои:10.1021 / nn303767b. PMID 23030709.
  15. ^ Спикернелл, Сара (8 апреля 2014 г.). «ДНК-нанороботы доставляют лекарства в живых тараканов». Новый ученый. 222 (2964): 11. Bibcode:2014NewSc.222 ... 11S. Дои:10.1016 / S0262-4079 (14) 60709-0. Получено 9 июн 2014.
  16. ^ Амир, Y; Бен-Ишай, Э; Левнер, Д; Иттах, S; Абу-Горовиц, А; Бачелет, I (2014). «Универсальные вычисления с помощью ДНК-оригами роботов в живом животном». Природа Нанотехнологии. 9 (5): 353–357. Bibcode:2014НатНа ... 9..353А. Дои:10.1038 / nnano.2014.58. ЧВК 4012984. PMID 24705510.
  17. ^ Гибни, Майкл (23 апреля 2014 г.). «Наноклетки ДНК, которые действуют как вирусы, обходят иммунную систему, доставляя лекарства». fiercedrugdelivery.com. Получено 19 июн 2014.
  18. ^ Перро, S; Ши, W (2014). "Вдохновленная вирусами мембранная инкапсуляция наноструктур ДНК для достижения В естественных условиях Стабильность ». САУ Нано. 8 (5): 5132–5140. Дои:10.1021 / nn5011914. ЧВК 4046785. PMID 24694301.
  19. ^ Пеплоу, Марк (28 апреля 2013 г.). «Белок вмешивается в процесс оригами ДНК». Природа. Дои:10.1038 / природа.2013.12882.
  20. ^ Задеган, Реза М .; Нортон, Майкл Л. (июнь 2012 г.). «Структурная нанотехнология ДНК: от дизайна к применению». Int. J. Mol. Наука. 13 (6): 7149–7162. Дои:10.3390 / ijms13067149. ЧВК 3397516. PMID 22837684.