Що спільного у ліки від раку і мистецтва орігамі? Дезоксирибонуклеїнова кислота. Технологія створення ДНК-орігамі виникла 7 років тому. Сьогодні вона обіцяє людству нові способи боротьби з онкологічними захворюваннями і комп'ютерні схеми розміром з молекулу. «Теорії і практики» розповідають про новий метод.
Одиночна нитка ДНК - одна з найскладніших і водночас найпростіших речей в світі. Вона складається з цукрово-фосфатного стрижня, де до кожного цукру прикріплено одне з чотирьох азотистих основ: аденін, тимін, цитозин або гуанін. Аденін може зв'язуватися з тиміном, гуанін - з цитозином. Але ніколи - навпаки. Якщо послідовність підстав комплементарна, дві нитки ДНК «злипаються» в подвійну спіраль. Так народжується матеріал, здатний кодувати геном.
Але що ж трапляється, якщо послідовність підстав не збігається, і нитки не можуть з'єднатися? Генетики називають те, що виникає в цьому випадку, «шпилькою», або «стеблом-петлею». Така структура досить стійка, але може розкритися і стати частиною звичайної подвійної спіралі, якщо поруч виявиться більш відповідний фрагмент ДНК.
Метод, винайдений каліфорнійським вченим, виглядав витончено і просто, як це нерідко буває в генетиці: Ротмунда синтезував неймовірно довгі нитки ДНК і потім «згинав» їх за допомогою ниточок коротший - «скріпок», які з'єднувалися з основою. Правда, робив це вчений аж ніяк не за допомогою нанопинцет. Щоб зібрати свої орігамі, Ротмунда займався відпалом: готові фрагменти він поміщав в водний розчин, нагрівав його до температури плавлення ДНК (близько 94-98 ° С), коли водневі зв'язку розпадаються і подвійні спіралі перетворюються в окремі нитки, а потім протягом багатьох годин і навіть днів остуджували вийшов «бульйон». В результаті близько 70% молекул брали потрібну форму, - адже завдяки правилу комплементарності одиночна нитка ДНК здатна сама знайти свою «сестру» серед безлічі менш придатних фрагментів.
Відкриття Ротмунда наробило багато галасу. Однак все через два роки після доленосного відпалу в Каліфорнійському технологічному інституті відбулася ще одна знаменна подія: команді вчених вдалося змусити ДНК-структуру пересуватися. Мініатюрного «робота», з вигляду нагадував табуретку, фахівці помістили на підкладку з одиночними нитками ДНК - своєрідними «маяками». Перед кожним кроком вчені підсаджували в розчин додаткову ниточку, більш комплементарную «маяках», ніж «ніжки» «робота». В результаті, «ніжка» витіснялася, і структура рухалася вперед.
З тих пір в світі з'явилося кілька варіантів ДНК-орігамі: тривимірні «стільники», 3D-блоки з контрольованим кутом нахилу, наношестеренкі, мініатюрні кристали, здатні утворити кристалічну решітку, а також «ДНК-робот» нового покоління, якому вдалося не просто пройти по «маяках», а й зібрати крупинки золота, дбайливо розкладені на його шляху. Всі ці винаходи були дуже красиві, але зовсім не були марною тратою часу. У розробників ДНК-орігамі існували практичні цілі: наприклад, створити «транспорт» для токсичних протиракових ліків. Такий винахід дозволило б доставляти активні речовини в пухлину без шкоди для здорових тканин, зменшити тяжкість і частоту побічних ефектів лікування та навіть знизити рівень смертності серед хворих.
До відповіді вдалося впритул наблизитися шведським вченим з каролінкского університету. Вони зробили ДНК-орігамі з поверхнею, модифікованої для вибіркового взаємодії з раковими клітинами, - а якщо точніше, з білками, які є тільки в них. Всередину капсул, на цей раз за формою нагадували морські зірки, фахівці помістили молекули доксорубіцину - токсичного препарату, який добре допомагає впоратися із злоякісною пухлиною, але може зупинити роботу серця. Вчені використовували «недокрученную» подвійні спіралі ДНК, що дозволило їм уповільнити вихід препарату без жодних «замків».
У ДНК-орігамі існує й інший потенціал. Нещодавно фахівці з Мюнхенського університету і Рейнсько-Вестфальського технічного університету Ахена створили нанодріт з металізованої ДНК. Вони використовували два типи ниток з різними властивостями: в одних були компоненти, які сприяли агрегації частинок срібла і склеювання молекул один з одним, інші провокували клік-реакцію - так зване азид-алкіновое циклоприєднання, в ході якого ДНК приклеювалася до кремнієвої підкладці. У розчині також були частинки золота, які осідали на срібло на другому етапі реакції.
Під час експерименту у німецьких вчених вийшов крихітний, але стабільний провід довжиною всього 1 мікрометр (для порівняння, товщина людської волосини становить 80-100 мікрометрів). Фахівці сподіваються, що в майбутньому ця технологія дозволить створювати нанотранзистори і електронні наносхеми. Ці предмети будуть найменше, що ми сьогодні здатні зробити, і дозволять здійснити справжню нанореволюція.