Войти
Визуализация объекта ДНК-оригами из вирусной ДНК по электронной томографии. Карта находится вверху, а атомная модель ДНК - ниже. (Размещено в EMDB EMD-2210 )ДНК-оригами - это укладка ДНК в наномасштабе для создания произвольных двух- и трехмерных форм в наноразмер. Специфичность взаимодействий между комплементарными парами оснований делает ДНК полезным строительным материалом благодаря конструкции ее основных последовательностей. ДНК - это хорошо изученный материал, который подходит для создания каркасов которые удерживают другие молекулы на месте или создают структуры сами по себе.
ДНК-оригами было прикрытием Nature 16 марта 2006 года. С тех пор ДНК-оригами далеко продвинулась вперед. искусство и нашла ряд приложений от систем доставки лекарств до использования в качестве схем в плазмонных устройствах; однако большинство приложений все еще находится в стадии разработки или тестирования.
Идея использования ДНК в качестве строительного материала была впервые представлена в начале 1980-х. Автор Надриан Симан. Современный метод ДНК-оригами был разработан Полом Ротемундом в Калифорнийском технологическом институте. Процесс включает складывание длинной одиночной цепи вирусной ДНК (обычно геномной ДНК 7249 п.н. бактериофага M13 ) с помощью нескольких более мелких «основных» цепей.. Эти более короткие пряди связываются более длинными в различных местах, что приводит к образованию заранее определенной двух- или трехмерной формы. Примеры включают смайлик и грубую карту Китая и Америки, а также множество трехмерных структур, таких как кубы.
Для создания желаемой формы изображения рисуются с одиночная длинная молекула ДНК . Затем этот рисунок загружается в компьютерную программу, которая рассчитывает размещение отдельных прядей скоб. Каждая скоба связывается с определенной областью матрицы ДНК, и, таким образом, благодаря спариванию оснований Уотсона-Крика, необходимые последовательности всех цепей скобки известны и отображаются. ДНК смешивается, затем нагревается и охлаждается. По мере охлаждения ДНК различные скобы придают длинной нити желаемую форму. Конструкции можно непосредственно наблюдать с помощью нескольких методов, включая электронную микроскопию, атомно-силовую микроскопию или флуоресцентную микроскопию, когда ДНК соединена с флуоресцентными материалами.
Восходящие методы самосборки считаются многообещающими альтернативами, которые предлагают дешевый параллельный синтез наноструктур в относительно мягких условиях.
С момента создания этого метода было разработано программное обеспечение, помогающее процессу с использованием программного обеспечения САПР. Это позволяет исследователям использовать компьютер для определения способа создания правильных скоб, необходимых для формирования определенной формы. Одно из таких программ, называемое caDNAno, представляет собой программное обеспечение с открытым исходным кодом для создания таких структур из ДНК. Использование программного обеспечения не только упростило процесс, но и резко уменьшило количество ошибок, допускаемых при ручных вычислениях.
В литературе было предложено множество потенциальных приложений, включая иммобилизацию ферментов, системы доставки лекарств и нанотехнологическая самосборка материалов. Хотя ДНК не является естественным выбором для создания активных структур для приложений нанороботов, из-за отсутствия структурной и каталитической универсальности, в нескольких статьях была изучена возможность использования молекулярных ходунков в оригами и переключателей для алгоритмических вычислений. В следующих параграфах перечислены некоторые из заявленных применений, проведенных в лабораториях с клиническим потенциалом.
Исследователи из Гарвардского университета Института Висса сообщили о самосборке и самоуничтожении сосудов для доставки лекарств с использованием ДНК-оригами в лабораторных испытаниях. Созданный ими ДНК-наноробот представляет собой открытую ДНК-трубку с шарниром с одной стороны, который можно закрыть с помощью застежки. Пробирка с ДНК, заполненная лекарством, закрывается с помощью ДНК-аптамера , сконфигурированного для идентификации и поиска определенного больного родственного белка. Как только нанороботы оригами добираются до инфицированных клеток, аптамеры распадаются и высвобождают лекарство. Первой моделью заболевания, которую использовали исследователи, была лейкемия и лимфома.
. Исследователи из Национального центра нанонауки и технологий в Пекине и Университет штата Аризона сообщил о транспортном средстве доставки ДНК-оригами для доксорубицина, хорошо известного противоракового препарата. Лекарство было нековалентно прикреплено к наноструктурам ДНК-оригами посредством интеркаляции, и была достигнута высокая лекарственная нагрузка. Комплекс ДНК-доксорубицин поглощался раковыми клетками аденокарциномы молочной железы человека (MCF-7 ) посредством клеточной интернализации с гораздо большей эффективностью, чем доксорубицин в свободной форме. Повышение активности уничтожения клеток наблюдали не только в обычном MCF-7, что более важно, также в резистентных к доксорубицину клетках. Ученые предположили, что ДНК-оригами, нагруженная доксорубицином, ингибирует закисление лизосом, что приводит к перераспределению препарата в клетках по участкам действия, что увеличивает цитотоксичность против опухолевых клеток.
В исследовании, проведенном группой ученых из центра iNANO и Орхусского университета, исследователи смогли сконструировать небольшую трехмерную коробку для ДНК оригами с возможностью переключения между ними. Предложенная наночастица характеризовалась AFM, TEM и FRET. Было показано, что сконструированный ящик имеет уникальный механизм повторного включения, который позволяет ему многократно открываться и закрываться в ответ на уникальный набор ключей ДНК или РНК. Авторы предположили, что это «ДНК-устройство потенциально может быть использовано для широкого круга приложений, таких как управление функцией отдельных молекул, контролируемая доставка лекарств и молекулярные вычисления».
Нанороботы, сделанные из ДНК-оригами, продемонстрировали вычисления о возможностях и выполненной заранее запрограммированной задаче внутри живого организма сообщила группа биоинженеров из Института Висс Гарвардского университета и Института нанотехнологий и передовых материалов в Университете Бар-Илан. В качестве доказательства концепции команда ввела в живых тараканов различные виды наноботов (скрученная ДНК, содержащая молекулы с флуоресцентными маркерами). Отслеживая маркеры внутри тараканов, команда обнаружила точность доставки молекул (высвобождаемых развернутой ДНК) в клетки-мишени, взаимодействия между нанороботами и контролем эквивалентны компьютерной системе. Сложность логических операций, решений и действий возрастает с увеличением количества наноботов. Команда подсчитала, что вычислительная мощность таракана может быть увеличена до мощности 8-битного компьютера.
ДНК свернута в октаэдр и покрыта одним двойным слоем фосфолипид, имитирующий оболочку вирусной частицы. Наночастицы ДНК, каждая размером примерно с вирион, могут оставаться в циркуляции в течение нескольких часов после инъекции мышам. Он также вызывает гораздо более низкий иммунный ответ, чем частицы без покрытия. Он представляет потенциальное использование в доставке лекарств, о чем сообщили исследователи из Института Висса при Гарвардском университете.
Идея использования дизайна белка для достижения тех же целей как и ДНК-оригами. Исследователи из Национального института химии в Словении работают над использованием рационального дизайна сворачивания белка для создания структур, подобных тем, которые наблюдаются в ДНК-оригами. Основное внимание в текущих исследованиях в области дизайна сворачивания белков уделяется области доставки лекарств с использованием антител, прикрепленных к белкам, как способа создания целевого носителя.
