ДНК «навчили» знаходити вихід з лабіринту

Хіміки з Технологічного університету Мюнхена і Наукового інституту Вайзманна (Ізраїль) розробили новий підхід до самозбірки молекул ДНК у великомасштабні об'єкти. Авторам вдалося створити з масиву молекул лінійні та гілкові волокна з діаметром близько 20 нанометрів і довжиною до 70 мікрометрів. Вчені відзначають, що розроблений метод дозволяє навіть вирішувати деякі обчислювальні завдання, такі як, наприклад, вихід з лабіринту. Дослідження опубліковано в журналі, коротко про нього повідомляє прес-реліз університету.

Дві дволіпочкові спіралі ДНК, за рідкісним винятком, не прагнуть зблизитися між собою. Цьому заважає електростатичне відштовхування їх остовів - довгих ланцюжків з молекул цукрів і негативно заряджених залишків фосфорної кислоти. Тому в розчині молекули займають багато місця і відштовхуються між собою. Однак у ряді випадків ДНК повинна ставати компактною - наприклад, в головці сперматозоїда. Для цього існують спеціальні механізми.

Автори скористалися одним з таких механізмів для того, щоб забезпечити склеювання між собою великої кількості ланцюжків ДНК. На першому етапі хіміки підготували поверхню, протравивши на ній тонкі (кілька нанометрів) доріжки. На ці доріжки за допомогою молекул-сполучників помістили ланцюжки ДНК, закріпивши їх тільки одним кінцем. У розчині молекули почали відштовхуватися один від одного, а осмотичний тиск змусив їх витягнутися, утворивши довгу «щітку», кожна щетина якої - молекула ДНК мікрометрової довжини.

На наступному етапі автори додали до розчину речовину під назвою спермідин. Це невелика органічна молекула, що містить три позитивно заряджені (протоньовані) аміногрупи. Спермідин може виступати як клей, що забезпечує зчеплення між остовами ДНК.

Додавання спермідину запускало процес, схожий на падіння ланцюжка доміно - перша молекула ДНК зв'язувалася до сусідньої, притягуючись до неї, та - з третьої і так далі. У результаті на підкладці утворювалися довгі нитки, що складаються з коротких фрагментів біомолекул. Якщо хіміки формували доріжки з розгалуженнями, то доміно-ефект призводив до того, що нитки утворювалися по всій протяжності доріжок. У деяких випадках спостерігалися розриви ниток.

Автори припустили, що таку поведінку можна використовувати для вирішення обчислювальних завдань, таких як пошук виходу з лабіринту. Вчені створювали лабіринт доріжок між двома поверхнями, на яких ДНК були розміщені рівномірно (по всій площі). Він складався з великої кількості розгалужень і глухих кутів, крім того в ньому був єдиний «правильний» шлях від входу до виходу. Додавання спермідину викликало формування розгалужених ниток на поверхнях, одна з яких впиралася в початок лабіринту. У 25 відсотках випадків нитки вибудовували в лабіринті «правильний» шлях, без розривів, інші відгалуження містили в собі розриви. Ще в 75 відсотках випадків виникали додаткові джерела ефекту доміно (не біля входу в лабіринт), що не дозволяло вибудувати «правильний» шлях.

Вчені відзначають, що перехід ДНК від стану «щітки» до стану нитки схожий на фазові переходи між різними станами речовини (наприклад перехід олова на холоду зі звичайної металевої форми в сіру, з меншою щільністю). Такі переходи являють собою фундаментальний інтерес. Крім того, перехід від «щіток» до ниток можна використовувати як логічне реле на біочипах.

Традиційна методика самозбірки об'єктів з ДНК - ДНК-орігамі. Вона полягає в підборі коротких молекул, що склеюють між собою окремі частини довгої одноланцюжкової молекули ДНК. В її основі лежить освіта класичних пар між азотистими підставами молекули. На відміну від нової роботи, за допомогою ДНК-орігамі створюють об'єкти розміром лише в десятки нанометрів.