Самосборные решетки из ДНК научились писать свое имя


Упорядоченные ДНК-решетки 4х4, полученные в Университете Дьюка в 2005 году. Изображение сделано атомно-силовым микроскопом (с сайта www.dukenews.duke.edu)
Упорядоченные ДНК-решетки 4х4, полученные в Университете Дьюка в 2005 году. Изображение сделано атомно-силовым микроскопом (с сайта www.dukenews.duke.edu)

Американские нанотехнологи из Университета Дьюка (Duke University) создают из молекул ДНК самособирающиеся решетки, которые в будущем могут стать основой для сверхкомпактной электроники.

Совсем недавно «Элементы» рассказывали, как из ДНК собираются микроскопического размера объемные пирамидки. И вот новое сообщение об использовании этой замечательной молекулы в наноинженерном деле, на этот раз для создания плоских решеток, которые могут стать подложкой для будущих микроэлектронных и оптических устройств.

Элементарная ячейка разработанной решетки представляет собой крестовину из молекул ДНК (см. рис. слева). Ее основа — закольцованная нить ДНК, уложенная в форме перекрестия (красная). В каждом из четырех квадрантов она сплетается с другими нитями ДНК, концы которых остаются свободными. Такие конструкции разработчики называют плитками (tiles).

Структура плитки в ДНК-решетке (рис. из статьи Sung Ha Park et al., Electronic nanostructures templated on self-assembled DNA scaffolds Nanotechnology, 15, 2004, S526)
Структура плитки в ДНК-решетке (рис. из статьи Sung Ha Park et al., Electronic nanostructures templated on self-assembled DNA scaffolds Nanotechnology, 15, 2004, S526)

Свободные одиночные нити ДНК обладают способностью сплетаться с другими нитями. Специалисты называют их липкими концами (sticky ends). Изготовленные из ДНК перекрестия, будучи помещены в раствор, соединяются между собой липкими концами без всяких дополнительных усилий. Нужно только, чтобы на двух нитях последовательности нуклеотидов были взаимно дополнительными (см. ДНК).

Еще два года назад в Университете Дьюка научились создавать из таких плиток целые молекулярные ДНК-решетки шириной в десятки ячеек. Но тогда все ячейки в слоях были одинаковы и соединялись между собой в произвольном порядке (см. фото внизу).

Соединение липких концов плиток ДНК-решетки (рис. из доклада Brun, Y. et al., Building Blocks for DNA Self-Assembly, FNANO 2004, Snowbird Utah, April 21-23, 2004)
Соединение липких концов плиток ДНК-решетки (рис. из доклада Brun, Y. et al., Building Blocks for DNA Self-Assembly, FNANO 2004, Snowbird Utah, April 21-23, 2004)

На этот раз ученые пошли дальше, сделав 16 разных типов плиток. У каждого типа на липких концах присутствует свой специфический код. Это превращает раствор в своеобразный пазл — плитки которого могут соединяться друг с другом только в одном строго определенном порядке, образуя фрагменты решетки размером 4 на 4 клетки.

Для наглядной демонстрации того, что плитки соединяются в заданном порядке, некоторые из них пометили, закрепив на перекрестиях ДНК белковые молекулы, сообщает EurekAlert!. Соединившись между собой, такие плитки образовали надписи в виде букв «D», «N» и «A», соответствующих английской аббревиатуре, обозначающей ДНК. Они хорошо заметны на изображении, которое получено атомно-силовым микроскопом (см. рис. вверху).

ДНК-решетка, полученная в Университете Дьюка в 2003 году. Шаг решетки составляет 20 нм (фото из доклада John H. Reif, Self-Assembled DNA Nanostructures for Molecular Scale Patterning, Computation and Motors на сайте www.cs.duke.edu/~reif)
ДНК-решетка, полученная в Университете Дьюка в 2003 году. Шаг решетки составляет 20 нм (фото из доклада John H. Reif, Self-Assembled DNA Nanostructures for Molecular Scale Patterning, Computation and Motors на сайте www.cs.duke.edu/~reif)

Всего у 16 плиток, входящих в одну решетку, имеется 128 свободных липких концов. Для правильного соединения они должны нести попарно соответствующие генетические коды (последовательности нуклеотидов). На первый взгляд кажется, что подобрать их нетрудно — просто назначить каждой паре концов свой код. Однако в действительности всё заметно сложнее.

Коды непарных липких концов должны достаточно сильно отличаться, чтобы избежать нежелательного взаимодействия. Если на них обнаружатся сколько-нибудь длинные взаимно дополнительные фрагменты, плитки могут соединиться неправильно. Кроме того, нежелательно использовать длинные отрезки кода из повторяющихся нуклеотидов одного и того же типа — это может привести к деформации молекул.

Подбор оптимальных кодов для решетки 4 х 4 оказался сложной комбинаторной математической задачей. На ее решение 300-процессорный вычислительный кластер затратил около 2 недель. Но несмотря на такие трудности авторы работы надеются, что в будущем они смогут создавать подобные самособирающиеся ДНК-решетки большего размера.

Шаг ячейки ДНК-решетки составляет всего около 20 нанометров — в несколько раз меньше характерного масштаба деталей в современной микроэлектронике. Такие решетки могут стать основой для изготовления сверхкомпактных электронных и оптических схем. Надо только в качестве «полезной нагрузки» прикреплять к перекрестиям плиток молекулы с соответствующими свойствами. Пока, правда, таких экспериментов еще не проводилось. Единственное, что уже опробовано, — это возможность металлизировать поверхность ДНК-решетки, сделав ее электропроводной.

Александр Сергеев

<< Назад