НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЕ НА ОСНОВЕ МОЛЕКУЛЫ ДНК – это больше, чем только тайна жизни, – это также универсальный компонент для создания наноструктур и наноустройств. Подготовила: Козаренко С. С. З курс 10 группа
Истоком ДНК-нанотехнологии служат работы Недриана Симэна профессора Нью-Йорского университета, начатые около 30 лет назад. Гравюра М. Эшера «Глубина» (слева) вдохновила автора на то, чтобы рассмотреть множество узлов с шестью ветвями, связанных между собой так, что образуется как бы трехмерный молекулярный кристалл (справа). Центр каждой рыбы похож на точку ветвления узла с шестью ветвями. Вместо ветвей от центра рыбы отходят шесть особенностей: голова и хвост, верхний и нижний плавники, левый и правый плавники. Такие молекулярные подмостки могут удерживать другие молекулы в регулярных решетках. Например, ячейки из ДНК, содержащие ориентированные биологические макромолекулы, можно использовать в кристаллографических экспериментах. Подобным же способом наноэлектронные компоненты можно было бы организовать в очень малые устройства памяти.
ДНК, обладает удивительно строгой организацией на наноразмерном уровне. Эту особенность можно использовать как мощный инструмент для конструирования наноструктур и наноизделий «снизу вверх» . Важным качеством молекулы ДНК является ее способность распознавать и связывать комплементарные основания, а также относительная стабильность двойной спирали ДНК. Мир ДНК кажется логичным, строгим и чуть ли не математически правильным. Две антипараллельные цепи ДНК, обвиваясь одна вокруг другой, формируют двойную спираль (дуплекс). Напротив каждого азотистого основания одной цепи находится строго определённое азотистое основание другой цепи. Такое взаимодействие называется каноническим, или Уотсон. Криковским. Соседние пары оснований связаны ещё и стекинг взаимодействием, что обеспечивает дополнительную жёсткость и стабильность молекулы ДНК. Рассмотрим процесс сборки.
Самосборка структур ДНК обеспечивается сильной склонностью цепей ДНК с комплементарными последовательностями оснований к слипанию друг с другом и образованию двойной спирали. Так называемые липкие концы (a), короткие отрезки цепей неспаренной ДНК, выступающие на одном конце молекулы ДНК, соединяются со специфическими отрезками другой цепи. Второй важный строительный элемент - ветвление ДНК (b), при котором три или более спиралей соединяются в точке ветвления (узле). В естественно возникающей разветвленной ДНК точка ветвления может перемещаться по кругу (c), потому что последовательности оснований на этих четырех ветвях симметричны. В искусственно созданном ветвлении ДНК, не имеющем этой симметрии, точка ветвления фиксирована.
Нанотехнолог-учёный использует механизмы, отточенные клеткой, и, пользуясь всей широтой накопленных знаний, конструирует наноструктуры или наномашины для собственных целей. После того, как возникла идея, необходимо подобрать нуклеотидный состав цепей ДНК с таким расчётом, чтобы в задуманной структуре реализовалось максимально возможное число Уотсон-Криковских взаимодействий. Короткие олигонуклеотиды обычно синтезируют химически. Более длинные фрагменты ДНК, от сотен до нескольких тысяч оснований, можно синтезировать ферментативно методом ПЦР. И наступает момент чуда – точнее, момент самосборки: смешав все необходимые фрагменты ДНК в нужных пропорциях в подходящих условиях, исследователь ждёт, пока комплементарные пары отыщут друга и сформируют ту структуру, которую он рисовал себе в воображении или в графическом редакторе. Таким образом, вся сложность использования ДНК в качестве структурного элемента состоит в рождении идеи. Подбор олигонуклеотидных последовательностей осуществляется программно, синтез не представляет проблемы, и если этапы пройдены без ошибок, самосборка пройдет без осложнений
Ученые разработали прочные структурные мотивы, которые могли бы служить строительными кирпичиками для сборки протяжённых двумерных полей. Это, прежде всего, DX-мотив – две двойные спирали с двумя пересечениями (четырёхсвязными узлами). Подбирают олигонуклеотиды так, чтобы точка пересечения была чётко задана. В DX-блоках центральные части цепей комплементарны не своей паре, а цепи из соседнего дуплекса, благодаря чему образуется два пересечения (узла). На рис. в четырёхсвязном узле голубая цепь комплементарна красной, оранжевая – светлозелёной и так далее, что приводит к самосборке единственно возможного мотива с фиксированным местом пересечения. Другими элементарными структурными кирпичиками являются DX-блоки с добавочной петлёй (DX-J), трёхсвязные узлы, выступающие «липкие концы» . Сочетания этих элементов позволяют конструировать множество нанообъектов.
Из жестких «кирпичиков» ДНК можно строить двухмерные кристаллы. Кирпичики (a) представляют собой блоки с двойным кроссовером (DX) и с двойным кроссовером плюс узел (DX+J), которые не могут проворачиваться в точках их соединения так, как могут узлы с несколькими ветвями. Каждый кирпичик имеет четыре различных липких конца для соединения кирпичиков между собой. Выступающая зеленая цепь DX+J соединяется вне плоскости. Каждый блок имеет размеры примерно 4 на 16 нанометров. Для простоты DX и DX+J блоки показаны схематически, с геометрическими фигурами на их концах, изображающими липкие концы (b). В растворе липкие концы находят комплементарные себе, и блоки самособираются в двухмерную структуру (c). На изображении кристалла, полученном на атомном силовом микроскопе, видна полосатая структура (d) (образец для микроскопии был нанесен на плоскую поверхность слюды). Яркие полосы, отстоящие примерно на 32 нанометра, – это линии ДНК, выступающих из блоков DX+J. Параллелограммы ДНК также самособираются в двумерные структуры (e, f).
Куб из стержней, составленный из шести петель ДНК, показывает, что из ДНК можно строить трехмерные структуры. Основа каждой цепи ДНК изображена цветными сферами (для каждой цепи взят другой цвет), а основания обозначены как белые сферы. Каждое ребро куба содержит 20 пар нуклеотидов, или примерно два полных оборота двойной спирали. Каждый угол – узел с тремя ветвями. Упрощенная схема показывает, как связаны цепи ДНК, но опускает их спиральное закручивание.
Яркой иллюстрацией программированной сборки служит метод ДНК-оригами, предложенный Полом Ротмундом, когда одна длинная одноцепочечная (например, вирусная) ДНК укладывается определённым образом при помощи относительно коротких олигонуклеотидных ДНК-скрепок, которые соединяют участки длинной ДНК и создают строго заданный рисунок.
О ДНК-ОРИГАМИ НАНОМЕТР ПИСАЛ МНОГО И С БОЛЬШИМ УДОВОЛЬСТВИЕМ. ДО СИХ ПОРАЖАЮТ ВООБРАЖЕНИЕ ТРЁХМЕРНЫЕ НАНОШКАТУЛКИ, СНАБЖЁННЫЕ К ТОМУ ЖЕ НАНОЗАМОЧКОМ, КОТОРЫЙ МОЖНО ЗАПИРАТЬ И ОТПИРАТЬ.
Спасибо за внимание!
Скачать презентацию НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЕ НА ОСНОВЕ МОЛЕКУЛЫ ДНК это больше
Презентация по ФХНМ.Козаренко С.С..pptx