Исследователи используют микроскопические нити ДНК для сборки гидрогелевых блоков

Исследователи из Окинавского университета науки и технологии (OIST) использовали микроскопические нити ДНК, чтобы направлять сборку гелевых комков, видимых невооруженным глазом.

Сегодня ученые сообщают, что гидрогелевые блоки длиной до 2 мм, содержащие ДНК на своей поверхности, самособираются примерно за 10-15 минут при смешивании с раствором. Журнал Американского химического общества.

Мы думаем, что эти глыбы гидрогеля являются самыми большими объектами, которые были запрограммированы ДНК для формирования структурированных структур».

Доктор Вьянкат Сонтаке, первый автор исследования и научный сотрудник отдела химии и инженерии нуклеиновых кислот OIST.

Процесс самосборки, при котором организованная структура спонтанно формируется при взаимодействии двух или более отдельных компонентов, настолько распространен в природе, что клетки и ДНК могут самособираться в удивительно сложные микроскопические структуры. Но использование взаимодействий, происходящих на молекулярном уровне, для управления сборкой макроскопических объектов (в смысле видимых невооруженным глазом) — относительно новая область исследований, особенно в области ДНК.

«Мы выбрали ДНК, потому что она хорошо программируется и обязана своей замечательной способности распознавать последовательности», — сказал старший автор профессор Йохей Йокобаяши, возглавляющий отдел химии и инженерии нуклеиновых кислот.

Двухцепочечная ДНК состоит из двух одиночных нитей ДНК, которые закручиваются вокруг друг друга, образуя двойную спираль. Нити скрепляются за счет переплетения оснований, которые соединяются друг с другом наподобие лобзика (А с Т и С с Г). Эта специфическая способность к спариванию оснований означает, что ученые могут создавать нити ДНК, которые точно соответствуют другим цепям и будут связываться друг с другом.

В одном эксперименте исследователи прикрепили одноцепочечные молекулы ДНК к поверхности красных и зеленых блоков гидрогеля. Нити ДНК на красных блоках идентичны цепям ДНК на зеленых блоках.

Когда блоки гидрогеля встряхивают в растворе, соответствующие нити ДНК соединяются вместе, действуя как «клей», который скрепляет красный и зеленый блоки. Через десять минут разделенные блоки самостоятельно собираются в простую ветвящуюся структуру чередующихся цветов.

Важно отметить, что нити ДНК не взаимодействовали с идентичными цепями ДНК на других блоках, поэтому блоки гидрогеля одного цвета не слипались.

Ученые также проверили способность ДНК распознавать только определенные последовательности, создав четыре пары совпадающих цепочек. Они прикрепили отдельные носители первой подобранной пары к поверхности красных кубиков гидрогеля. Тот же процесс был выполнен для зеленых, синих и желтых кубиков гидрогеля.

При совместной вибрации, несмотря на наличие множества различных последовательностей ДНК, нити связываются только с соответствующей им нитью, в результате чего образуются ранее смешанные глыбы гидрогеля, которые саморасщепляются на кластеры одного цвета.

Профессор Йокобаяши сказал: «Это показывает, что процесс самосборки очень специфичен и может быть легко запрограммирован. Просто изменяя последовательность ДНК, мы можем управлять блоками, чтобы они взаимодействовали друг с другом по-разному».

В дополнение к самосборке исследователи также изучали, могут ли они использовать ДНК для программирования разборки структуры. Они создали две идентичные одиночные нити ДНК, а затем сделали третью, более короткую нить, которая соответствовала части первой. Они прикрепили первую нить и такую ​​же более короткую нить к кубикам гидрогеля, которые самособираются при смешивании в растворе. Затем к раствору добавляли более длинную нить ДНК, совпадающую с первой нитью, и в течение часа более длинная нить вытесняла более короткую, в результате чего кубы распутывались.

«Это действительно захватывающе, потому что это означает, что при использовании ДНК в качестве «клея» для склеивания блоков гидрогеля процесс полностью обратим», — сказал доктор Сонтаке. «Это означает, что отдельные компоненты также можно использовать повторно».

В то время как структуры, сформированные до сих пор, просты, исследователи надеются добавить больше сложности, увеличив количество различных кубов, которые включены в структуру, и нацеливаясь на разные нити ДНК определенных кубических граней. Они также планируют увеличить объем гидрогелевых блоков.

«Это все еще фундаментальное исследование, но в будущем эти методы можно будет использовать в тканевой инженерии и регенеративной медицине», — сказал профессор Йокобаяши. «Возможно, внутри кубов гидрогеля можно поместить различные типы клеток, которые затем могут собираться в сложные трехмерные структуры, необходимые для выращивания новых тканей и органов.

— Но, — добавил он. «Независимо от потенциальных применений, удивительно иметь возможность рассматривать химию столь же микроскопически, как взаимодействие нитей ДНК с нашими собственными глазами. Это действительно забавная наука».