Поламані ДНК-нанотрубки залатали в собі дірки запасними деталями

Американські біохіміки отримали нанотрубки з ДНК, які самостійно відновлюють структуру, зруйновану при взаємодії з нуклеазами. Для цього в середу з нанотрубками додавалися запасні елементи ДНК, здатні прикріплюватися до пошкодженої ділянки. Такий підхід дозволяє в чотири рази уповільнити руйнування штучних нано- і мікроструктур на основі ДНК в багатих ферментами біологічних середовищах, пишуть вчені в.

Молекули нуклеїнових кислот містять у своєму складі по чотири види азотистих підстав, які можуть попарно зв'язуватися один з одним, з'єднуючи між собою два різні полімерні ланцюжки. Принцип такої попарної відповідності - комплементарність - використовується живими організмами для синтезу нових молекул, кодування і передачі інформації, а біохіміками і матеріалознавцями - для створення штучних наноструктур заданої форми на основі ДНК або РНК. Зокрема, саме на цьому принципі заснована методика ДНК-орігамі, за допомогою якої зараз можна отримувати з ДНК тривимірні структури заданої форми масою до декількох сотень мегадальтон. Завдяки тому, що до ДНК досить легко приєднати інші біополімери або неорганічні частинки, спектр можливих застосувань цих структур досить широкий: це і створення молекулярних комп'ютерів, і отримання наносенсорів, і доставка ліків всередині організму.

Одна з проблем подібних штучних структур на основі ДНК - не дуже висока стійкість в багатих ферментами біологічних середовищах, в яких ці нано- і мікроматеріали збираються активно використовувати (наприклад, для доставки ліків і терапії раку). Так, у розчині сироватки ембріона теля (типове модельне середовище для біохімічних досліджень) незахищені наноструктури з ДНК живуть не більше доби. Як правило, в таких випадках для захисту штучних ДНК-структур їх або покривають захисною мембраною, або додають в середу інший субстрат для нуклеази, який вона буде руйнувати замість тієї структури, яку хочеться зберегти. Ці способи, однак, або надто складні, або сильно обмежують функціональні можливості самих ДНК-структур.

Біохіміки І Лі (Yi Li) і Ребекка Шульман (Rebecca Schulman) з Університету Джона Хопкінса для вирішення цієї проблеми запропонували інший спосіб вирішення. Виявилося, що зовсім необов'язково намагатися якось впливати на взаємодію ДНК з нуклеазою, додаючи захисні оболонки і займаючи її чимось іншим, можна просто збільшити в середовищі концентрацію будівельних блоків (коротких ділянок ДНК, з яких побудована сама нанотрубка).

Спочатку з таких блоків, з'єднаних з молекулами поліетиленгліколю, формується сама нанотрубка довжиною в кілька мікрометрів і фіксується на скляній підкладці. Після цього нанотрубки поміщаються в сироватку, багату різними ферментами, в тому числі нуклеазами, які гідролізують фосфодіефірний зв'язок і руйнують таким чином структуру ДНК. Згідно з теоретичними моделями, якщо в це середовище в якості «запчастин» додатково додати ті ж будівельні блоки, з яких складається ДНК-нанотрубка, швидкість зростання може бути вище швидкості гідролізу, завдяки чому час життя нанотрубки збільшується.

Такий ефект вченим вдалося виявити і експериментально. Виявилося, що при додаванні в сироватку додаткових будівельних блоків руйнування нанотрубки під дією ферментів сповільнюється, час її життя збільшується майже в чотири рази. Дані флуоресцентної мікроскопії підтвердили механізм «самопочинки» наноструктур і показали, що це дійсно відбувається саме за рахунок вбудовування нових блоків у структуру трубки. При цьому додатковий ефект пов'язаний з тим, що мономери ДНК, що знаходяться в розчині, служать альтернативним субстратом для нуклеаз і також знижують їх активність по відношенню до нанотрубок.

За словами авторів роботи, аналогічний ефект спостерігається і для більш великих мікроструктур на основі ДНК. Біохіміки стверджують, що в найближчому майбутньому запропонований ними метод (можливо, об'єднаний з альтернативними способами уповільнення хімічного руйнування наноструктур з ДНК в біологічних середовищах) можна буде використовувати для досліджень і розробки конкретних медичних застосувань.

Нагадаємо, що штучні нано- і мікроструктури на основі ДНК пропонують використовувати не тільки для медичних цілей. Наприклад, американські дослідники кілька років тому запропонували використовувати молекули ДНК як електромеханічний перемикач. В іншій роботі біохіміки використовували структуру з ДНК в якості роборуки, яка під дією електричного поля, здатна пересувати молекули або наночастинки на кілька десятків нанометрів всього за кілька мілісекунд. Крім того, штучні структури з ДНК пропонують застосовувати і як матрицю для отримання неорганічних частинок, які потім можна використовувати як елементи оптичних сенсорів.