Biologiczne origami, czyli nanoboty (wkrótce) atakują

Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature 440, 297-302, ©2006

Pięćdziesiąt lat temu Richard Feynman rzucił światu nauki wyzwanie. W słynnym wykładzie, który wygłosił w 1959 roku przed Amerykańskim Towarzystwem Fizycznym, wygłosił przekonanie, że kiedyś – i to w przyszłości nie bardzo odległej – możliwe będzie zapisanie 24 tomów Encyklopedii Britannica na główce od szpilki. W 1990 roku dwóch inżynierów z firmy IBM zrobiło krok milowy do realizacji tego celu, tworząc za pomocą skaningowego mikroskopu tunelowego (STM) logo firmy z atomów ksenonu poukładanych na podłożu z niklu.

Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature 440, 297-302, ©2006
Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature 440, 297-302, ©2006

Ich zadanie byłoby jednak o wiele łatwiejsze, gdyby mogli po prostu wrzucić garść atomów do garnka, podgrzać i dostać gotową potrawę. I to jest dokładnie to, co Paul Rothemund zaproponował i zademonstrował w 2006 roku. Z jedną różnicą – w swych badaniach do stworzenia samoorganizujących się struktur wykorzystał DNA. Natomiast technikę nazwał origami DNA.

I, jak w klasycznym, papierowym origami, także i tutaj tworzenie różnorodnych kształtów sprowadza się do odpowiedniego pozaginania materiału startowego.  Różnica polega na tym, że Rothemund dokonał tego w skali leżącej poza zasięgiem naszych palców.

Szkieletem struktur Rothemunda były pojedyncze nici DNA długości ok. 900 nukleotydów. Projektując pożądany kształt rysował kontur, a następnie „zwijał” nić tak, aby tworzyła szczelne jego wypełnienie.  Wreszcie zaprojektował serię krótkich spinaczy: odcinków DNA o długości 16 nukleotydów, których końce były komplementarne do różnych fragmentów szkieletowej nici. Każdy taki spinacz łączył dwa odległe odcinki tej nici, naginając ją do wyobrażenia autora. Pomysł ten najlepiej ilustruje obrazek poniżej (wybaczcie jakość):

Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature 440, 297-302, ©2006
Reprinted by permission from Macmillan Publishers Ltd: Nature 440, 297-302, ©2006

W odróżnieniu zatem od wielu innych eksperymentów biologicznych najtrudniejszym i najbardziej pracochłonnym etapem tego była faza projektu. Po zaprojektowaniu spinaczy – czyli zaplanowaniu, jakie sekwencje powinny mieć, aby odpowiednio spiąć szkielet konstrukcji – jedyne, co pozostało do zrobienia, to wysłać pożądane sekwencje do ośrodka, w którym zostały one zsyntetyzowane, a po otrzymaniu gotowych spinaczowych nici DNA: wrzucić wszystko do garnka razem z nicią szkieletową i podgrzać. Kilka z otrzymanych struktur mogliście podziwiać na pierwszej ilustracji w tym poście. Kształt struktur został zbadany i potwierdzony za pomocą AFM.

Należy jednak powiedzieć, że praca Rothemunda była dopiero początkiem tej pięknej przygody z origami DNA. Projekty, które zaprezentował w Nature w 2006 były wszystkie tworami dwuwymiarowymi. Oczywiście jeśli chcielibyście się z takim narzędziem porwać na wyzwanie Feynmana, to macie wystarczającą ilość amunicji. I moje błogosławieństwo na drogę. Jeśli jednak marzy się Wam podbicie wszechświata za pomocą opartej na węglu nanotechnologii – z kolejną podpowiedzią, jak to zrobić, spieszy kolejna publikacja z Nature sprzed dwóch tygodni autorstwa duńskiej grupy pod kierownictwem Kurta Gothelfa i Jorgena Kjemsa.

Badacze ci, stosując pomysł Rothemunda, skonstruowali trójwymiarowe pudełko zbudowane z DNA. Możecie oczywiście zacząć się zastanawiać, jak pudełko ma pomóc w podboju kosmosu. Jednak to nie trzeci wymiar konstrukcji jest najciekawszą częścią tej pracy, ale fakt, że Duńczykom udało się w projekcie pokrywki pudełka uwzględnić zamek! Zamykanie i otwierania potwierdzili za pomocą pomiarów FRET (dwa fluorofory biorące udział w reakcji były umieszczone odpowiednio na pokrywce i jednej ze ścian pudełka). Rozmiar pudełka pozwala na „schowanie” w środku obiektów wielkości rybosomu albo poliowirusa.

Pozostaje tylko oczekiwać kolejnych prac, w których prezentowane będą coraz bardziej zaawansowane konstrukcje i mechanizmy. I kto wie, może za 10-20 lat w naszych organizmach będą krążyć ścigające zarazki nanoboty…

„Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns”, Paul W. K. Rothemund, Nature 440, 297-302 (16 March 2006)

„Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid”, Ebbe S. Andersen, Mingdong Dong, Morten M. Nielsen, Kasper Jahn, Ramesh Subramani, Wael Mamdouh, Monika M. Golas, Bjoern Sander, Holger Stark, Cristiano L. P. Oliveira, Jan Skov Pedersen, Victoria Birkedal, Flemming Besenbacher, Kurt V. Gothelf & Jørgen Kjems, Nature 459, 73-76 (7 May 2009)

3 Comments

  1. Ciekawy artykuł, ale jedna sprawa nie jest (przynamniej dla mnie) jasna. Jaki jest generalny cel tego typu eksperymentów? Napisałeś w ostatnim zdaniu o nanorobotach pracujących w naszym organiźmie ale to trochę inna działka niż opisywane wcześniej origami DNA.
    O podobnych pracach już gdzieś słyszałem/czytałem ale muszę przyznać, że wątek dotyczący pomysłu na zamek do pudełka jest bardzo interesujący…
    Pozdrawiam!

    PS Mam uwagę techniczną – może warto by było zamieszczać trochę większe obrazy (np. w lyteboxie)?

    Lubię

    1. No właśnie nie do końca inna działka – jako motywację dla swojej pracy grupa duńska podaje możliwość zastosowania takich pudełek z DNA – które oni sami nazywają origami DNA – do transportu oraz kontrolowanego uwalniania różnych substancji wewnątrz organizmu (jako że otwieranie pudełka działa w warunkach fizjologicznych). Więc na przykład mogłoby to być użyte do transportu leków – zamiast liposomów czy też innych wektorów, które się stosuje np. w terapii genowej, a których nie sposób tak łatwo i dokładnie kontrolować.

      Co do technicznej strony: ja jestem komputerowym analfabetą. Lytebox? Jak mi powiesz jak, to zaraz to zrobię :) Tymczasem oczywiście skłonny jestem podesłać cytowane artykuły.

      Lubię

      1. OK, dzięki za doprecyzowanie…
        Nie byłem pewien czy to ma być właśnie tak jak teraz napisałeś.

        Co do lyteboxa to zorientuję się jak to zrobić na Twoim WP – bo ja osobiście używam WP na własnym serwerze, a to działa trochę inaczej… Dam znać w weekend, bo chwilowo mam trochę za dużo na głowie:)

        Lubię

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s