4.5.1. Днк как строительный материал нанотехнологий

Замечательный и специфический механизм спаривания оснований, лежащий в основе ДНК, делает эти молекулы крайне привлекательными в ка­честве строительных блоков при создании сложных наноструктур методами самосборки.

Ключевыми особенностями, лежащими в основе самосборки ДНК, явля­ются следующие свойства. Одиночная цепь ДНК является упорядоченным со­полимером, в котором по одному из четырех возможных оснований присоединено к каждой из чередующихся сахарных и фосфатных групп. Эти четыре основания: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и тимин (Т). Они разбиты на комплементарные пары А—Т и С—G, водородные связи между которыми удер­живают по всей длине пару комплементарных нитей ДНК в форме двойной спирали. В естественном виде ДНК существуют исключительно в виде пары комплементарных нитей. Однако существуют методы синтеза, которые позво­ляют получить нити ДНК с произвольной последовательностью оснований. Это позволяет конструировать сколь угодно сложные топологии. В качестве при­мера рассмотрим три нити, состоящие из таких последовательностей: нить 1 можно представить себе в виде последовательности X и последовательности Y, соединенных вместе, нить 2 состоит из последовательности X', комплемен­тарной X, и еще одной последовательности Z, нить 3 состоит из последователь­ности Т, комплиментарной Y, и последовательности Z', комплементарной Z. Если все эти нити привести во взаимодействие, то они соединяться так, что образуют точку ветвления, в которой сойдутся три двойные спирали ДНК. По аналогии с этим можно составить множество других различных соединений.

Рис. 4.6. Образование двумерной сетки из соединений, обладающих липкими концами.

Хи Y— липкие концы, а X' и У — их комплементы. Четыре мономера, пока­занные слева, образуют комплекс, изображенный справа. Оставшиеся незакры­тыми липкие концы могут быть заполнены ДНК-лигазой или по ним можно продолжить рост структуры за счет присоединения новых блоков. По N.C. Seeman and A.M. Belcher, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 6451 (2002)

Ключевым структурным блоком при построении трехмерных структур из ДНК является липкий конец. Представьте себе пару комплементарных нитей ДНК, но одна из которых чуть длиннее другой. Оставшийся свободным хвос­тик позволяет эту спираль ДНК соединить с другой спиралью ДНК, обладаю­щей комплементарным липким концом. Как показано на рис. 9.8, если собра­ны разветвенные ДНК с правильно расположенными липкими концами, они могут самособираться в двух- и даже трехмерные структуры.

Представленные примеры демонстрируют впечатляющие возможности био­молекулярной самосборки; но могут ли они иметь практическое применение? Далее мы рассмотрим три возможности этого:

1) использование биомолекул в качестве направляющих роста и взаимодей­ствия наночастиц;

2) использование в качестве шаблона для молекулярной электроники;

3) использование при создании наномашин и наномоторов.

4.5.1.1. Направленная сборка с помощью днк

Наночастицы сильно взаимодействуют друг с другом, но, к сожа­лению, их взаимодействие необратимо и носит неспецифический характер. Присоединив определенные последовательности ДНК к поверхности наночас­тицы, можно задать специфическое взаимодействие между ними, что позволит использовать эти наночастицы в качестве строительных блоков при сборке строго заданных структур. Предположим у нас есть два вида наночастиц, которые мы назовем А и В, и нам нужно собрать из них трехмерную структуру, в которой бы эти частицы чередовались. Этого можно добиться чрезвычайно элегантным образом, создав две различные, некомплементарные последовательности ДНК, одну из которых присоединяем к частице А, а другую — к частице В. Например, если наночастицами служат золотые коллоиды, а ДНК-последовательности за­вершаются алкантиоловыми группами, ДНК можно легко привить к поверхнос­ти частиц, образовав при этом полимерные щетки. Если теперь перемешать ча­стицы двух типов, на каждой из которых привита своя ДНК-последователь­ность, между ними не будет никакого взаимодействия. ДНК-последовательности, не будучи комплементарны, не взаимодействуют друг с другом, а суспензия из наночастиц ведет себя просто как стерически стабилизированный коллоид. Однако двойная спираль ДНК с двумя липкими концами, один из которых комплементарен последовательности на частицах А, а другой — последователь­ности на частице В, будет выступать как специфический связующий агент, соединяющий частицы А только с частицами В, и наоборот.