Оригами из ДНК

Цепь ДНК хранит инструкции, по которым клетка синтезирует белки — сложные и поразительно эффективные молекулярные машины, выполняющие почти все функции в организме. Но что будет, если собрать подобные механизмы из самой ДНК?

Руководитель лаборатории ДНК-наноинженерии и фотоники Сколтеха Ирина Мартыненко рассказала «Ъ-Науке», почему ученые складывают причудливые механизмы именно из ДНК, как им удается заставить эту молекулу принять самые неожиданные формы и какая от этого польза: тюрьма для заточения вирусов, самосборные микрочипы, нанороботы и даже компоненты искусственной клетки.

— Один банк в Австралии напечатал на оборотной стороне кассовой ленты банкоматов инструкции по оригами, и клиенты складывали из чеков мышей и свинюшек. Чем это похоже на ДНК-оригами?

— Нецелевым использованием. Чек подтверждает трансакцию и несет информацию о ней, а молекула ДНК хранит и передает генетическую информацию. Если мы из чековой ленты или из цепи ДНК складываем красивую или функциональную 3D-фигурку, мы используем носитель информации не по его прямому назначению, а как строительный материал.

— В природе ДНК таким образом вообще не используется?

— Нет, это человеческое изобретение. В природе реальным строительным материалом являются белки, а основная роль ДНК — в хранении генетической информации.

— Что нужно знать о структуре ДНК, чтобы понять ДНК-оригами?

— Совсем немного. Хотя ДНК — очень сложная биомолекула, состоящая из большого количества атомов, ее особенность в том, что, несмотря на сложность, она устроена по очень простому принципу. Это делает процесс проектирования ДНК-наноструктур простым и доступным.

Главное — запомнить две вещи. Во-первых, ДНК состоит из двух цепочек, закрученных в спираль, как винтовая лестница. Ступени этой лестницы образованы из четырех «букв»-оснований: аденин (A), тимин (T), гуанин (G) и цитозин (C). Во-вторых, эти «буквы» соединяются только по строгим правилам комплементарности: аденин всегда с тимином, а гуанин с цитозином. Комплементарная цепь может быть не такой же длинной, как основная, а складываться из огромного количества коротких комплементарных отрезков — мы к этому еще вернемся.

Благодаря этим простым и надежным «правилам сборки» ученые могут программировать молекулы ДНК так, чтобы они сами складывались в нужные формы.

— Люди научились складывать цепь ДНК в неестественные формы вроде смайликов и звездочек. Звучит как очень дорогое оригами из чековой ленты.

— Поначалу так и было, но с тех пор мы научились складывать ДНК в формы, которые несут практическую пользу.

В природе существуют удивительно точно организованные структуры и материалы, в которых каждая молекула на своем месте. Например, сетчатка глаза или системы для фотосинтеза в листьях растений — настоящие шедевры наноконструирования, обеспечивающие исключительно высокую эффективность поглощения и преобразования света. А вирусы можно представить как крошечные нанороботы: это капсула с ДНК и встроенным «механизмом», который помогает ей прикрепиться к клетке и внедрить в нее свой генетический материал.

В природе эти изощренные механизмы строятся из биополимеров, называемых полипептидами. Свернутая правильным образом полипептидная последовательность — это белок. Мы же стремимся создавать подобные по точности и функциональности структуры, но из другого материала — из ДНК, которая тоже является биополимером.

— Почему именно из ДНК?

— У нее масса преимуществ. Во-первых, структуры из ДНК легко программировать. Это можно делать без какого бы то ни было программного обеспечения — молекулярный дизайн на листе бумаги.

— Это не фигура речи?

— Нет, я серьезно: вы можете нарисовать и посчитать, как должна сложиться молекула без компьютера. Когда зарождалась область структурных нанотехнологий ДНК и ДНК-оригами, так это и делали.

— А когда это было, кстати?

— В 1980-х. Американский кристаллограф Нед Симэн был первым, кто осознал, что ДНК можно использовать не только для хранения генетической информации, но и для того, чтобы создавать молекулярные структуры с точностью до десятков нанометров.

— Какие еще плюсы у ДНК?

— Высокая стабильность в водных растворах и биосовместимость. Молекулы ДНК нетоксичны — мы ежедневно потребляем ДНК с пищей без какого-либо вреда. Это делает ДНК-структуры перспективными для медицинских применений. Правда, в этом случае структуры из ДНК обычно покрывают дополнительными защитными слоями, потому что они чувствительны к температуре, pH, наличию ферментов и ионному составу среды.

Однако эта чувствительность — не только недостаток, но и большое преимущество. Благодаря ей можно создавать динамические ДНК-структуры — миниатюрные механизмы, которые способны изменять форму, двигаться или светиться в ответ на внешние сигналы.

— Допустим, я придумал наноразмерный механизм или арт-объект и хочу сложить ДНК в соответствующую форму. Какая ДНК мне для этого подойдет?

— В принципе любая.

— Можно сложить оригами из своей собственной ДНК?

— Да, это возможно. Просто обычно выбирают последовательности, которые дешевле и проще получить в лаборатории.

— Это какие? Они короче, чем человеческая ДНК?

— Намного короче — примерно в миллион раз меньше, чем вся ДНК в одной клетке человека. Чаще всего используется ДНК определенного штамма бактериофага — это вирус, который заражает бактерии. У него одинарная цепочка ДНК, которую удобно использовать как каркас оригами. Ее легко купить в готовом виде или выделить в лаборатории. Во втором случае вы закупаете фагов, выращиваете культуру бактериальных клеток и инфицируете их. Фаг размножается, и вы выделяете его ДНК — процесс хорошо отработан.

Для специфических задач могут использоваться и другие последовательности ДНК, но обычно это одна и та же каркасная цепочка из фага длиной 7249 оснований.

— Как сложить эту цепочку в нужную структуру?

— Представьте, что вы хотите сложить из ДНК плоский квадрат. Для этого длинную нить нужно уложить зигзагом — «змейкой» из десятков рядов. Но если просто свернуть ее, квадрат расползется.

Секрет в том, чтобы добавить много коротких нитей — скрепок. Они перепрыгивают между рядами и сшивают их в нужных местах своего рода молекулярным «степлером». В результате образуется устойчивая конструкция с множеством перекрестных связей. Она складывается сама, без внешнего вмешательства благодаря принципу комплементарности: участки ДНК с подходящими «буквами» находят друг друга и соединяются, образуя задуманную форму.

— Выходит, все решают скрепки?

— Да, мы рассчитываем, какие нужны последовательности скрепок, чтобы одну и ту же каркасную цепь сложить в ту или иную структуру.

— Откуда берутся скрепки?

— Мы можем сами синтезировать их в Сколтехе, но из экономии времени закупаем. Сейчас есть масса производителей. Только в России минимум три-четыре такие компании. Синтез коротких одноцепочечных фрагментов ДНК стоит недорого и выполняется быстро: мы рассчитываем, какие последовательности ДНК нужны, делаем заказ, и через неделю они у нас — 96-луночный планшет в морозилке, в каждой лунке — скрепки одного вида.

— Насколько эти скрепки короче, чем каркасная цепь?

— Примерно в 100 раз. Коммерческий синтез стоит дешево именно в случае коротких последовательностей — до 40 оснований.

— Что будет, если одну из 40 «букв» перепутают?

— Ошибки дестабилизируют структуру, но до известного предела это не проблема. То есть важна каждая буква, но одна ошибка не испортит структуру.

— Итак, мы забрали у фага каркасную цепь, закупили скрепки. А дальше что?

— Смешиваем все ДНК-последовательности в растворе с необходимым pH и составом положительных ионов. Можно потрясти. Для простых структур вроде нашего квадрата этого уже достаточно.

Оригами собирается само, без воздействия внешних сил. Как если бы «Конструкторское бюро молекулярной самосборки» спроектировало дом, у которого кирпичи сами складываются в соответствии с проектом. Так вот, на наномасштабе мы можем такого добиться при помощи ДНК.

— Вопрос, который всех волнует: зачем все это нужно?

— ДНК-оригами полезны везде, где нужна предельная точность: когда молекулы нужно разместить буквально с точностью до нанометров. На самом деле уже продаются коммерческие продукты из ДНК-оригами, просто пока их покупают только ученые.

— Что это за продукты?

— Представьте, вы создали микроскоп сверхвысокого разрешения и хотите убедиться, что он действительно показывает размеры объектов такими, какие они есть. Для этого вы покупаете тестовую ДНК-структуру с точно известными размерами — скажем, ровно 100 нанометров. А на концах этой структуры закреплены флуоресцентные метки, чтобы ее было легко увидеть.

Или другой пример. Вы молекулярный биолог и хотите понять, как часто на мембране клетки располагаются определенные белки. Вы заказываете серию ДНК-оригами, на которых молекулы, связывающиеся с вашим белком, расположены через 5, 50 или 100 нанометров. Какая из этих структур лучше свяжется с белками, та и подскажет, каково реальное расстояние между ними в живой клетке.

— Но более массовые продукты тоже будут?

— Самое захватывающее направление — противовирусные препараты на основе ДНК-оригами. Первые из них могут появиться на рынке уже через несколько лет. Это будет не просто отдельная молекула, а сложная многоэлементная конструкция — своего рода «тюрьма для вирусов».

Представьте полую сферу, внутри которой находятся антитела. Когда вирус сталкивается с такой структурой, он связывается с антителами и буквально затягивается внутрь. Там он оказывается заперт: этот молекулярный каркас блокирует вирус физически, не давая ему проникнуть в клетки и размножиться.

— А вы какими приложениями занимаетесь?

— Нас интересует стык биологии, химии и фотоники. Мы исследуем, как превратить ДНК-оригами в практические инструменты на чипах — от сверхчувствительных сенсоров до элементов фотонных компьютеров.

— А зачем в микрочипах и оптических материалах ДНК?

— Сама по себе ДНК не проводит ток, не взаимодействует со светом, не работает ни как лекарство, ни как катализатор. Все приложения построены на том, что она, как невидимая арматура, позволяет размещать другие биомолекулы или наночастицы в произвольной геометрии с очень высокой точностью.

Мы капаем каплю раствора с ДНК-оригами и наночастицами на чип, и миллионы структур сами выстраиваются в нужную архитектуру без нашего участия. Это демонстрирует, что молекулярное «лего» реально может собирать функциональные детали будущих устройств.

Например, с помощью ДНК-оригами уже научились раскладывать углеродные нанотрубки на поверхности чипа так, чтобы они выстраивались строго в нужных местах и под нужным углом. После сборки ДНК удаляется, оставляя идеально выровненную матрицу из нанотрубок, на основе которых создается транзистор.

Если смотреть дальше в будущее, то ДНК-оригами позволяет спуститься на масштаб в тысячу раз меньше, чем в микроэлектронике, и подобным образом выстраивать архитектуру сверхбыстрых и энергоэффективных устройств оптоэлектроники и квантовой фотоники, в которых информация будет обрабатываться в форме света, а не электрических сигналов.

— Что скажете о нанороботах?

— Уже реализована масса динамических структур ДНК-оригами: открывающиеся коробки, вращающиеся, сгибающиеся элементы и другие крошечные механизмы. В этой области тоже начинается постепенный переход от отдельных структур масштаба 100 нанометров к огромным динамическим ансамблям из миллионов таких структур, которые уже видно невооруженным глазом. Подобное встречается и в природе: например, клетки кожи хамелеона меняют цвет благодаря перестройке своих наноструктур.

— Что заставляет эти структуры двигаться?

— Они реагируют на внешние стимулы: свет, температуру, кислотность среды или появление определенных химических веществ. Чтобы придать конструкции подвижность, ученые вводят в нее молекулярный «переключатель», который заставляет ее менять форму под воздействием внешних сигналов. Например, при изменении pH может происходить переход ДНК из двойной спирали в тройную, который вызывает движение отдельных частей. На этом принципе работает «замок», открывающий нанокоробочки из ДНК.

Созданы и крошечные роторы — в миллион раз меньше песчинки,— которые вращаются под действием электрического поля. В будущем, возможно, появятся версии, управляемые магнитным полем. Все это искусственные аналоги природных молекулярных моторов, воспроизводящие их принципы движения на наномасштабе.

Из ДНК-оригами можно даже сделать канал в оболочке искусственной клетки, который будет открываться и закрываться.

— Звучит максимально футуристично!

— Да, эта область только начинает развиваться. Попытка создать клетку с нуля показывает, насколько это сложная задача. Настоящая клетка живет благодаря сотням белковых «машин», и ее внутренний каркас, цитоскелет, тоже состоит из белков. Тем не менее из молекул ДНК и РНК уже научились собирать отдельные элементы, которые могли бы стать частями искусственной клетки. С их помощью создают наноканалы в липидных мембранах — аналогах клеточных оболочек — и даже миниатюрные каркасные структуры, которые самособираются внутри таких искусственных клеток.

Возможно, именно ДНК станет тем мостом, который соединит живое и искусственное, открывая путь к новому поколению технологий, где принципы природы и инженерии работают вместе. Из молекулы, которая когда-то служила лишь носителем генетической информации, человечество постепенно учится строить архитектуру будущего — от искусственных клеток до квантовых вычислительных систем.

Беседовал Николай Посунько