Biologiczne origami, czyli nanoboty (wkrótce) atakują

Przykłady dwuwymiarowych struktur uzyskanych z origami DNA. /Przedruk za zgodą Macmillan Publishers Ltd: Nature 440, 297-302, ©2006

Poniższy post jest przedrukiem postu zamierzchłego (z racji mojej już rozreklamowanej zajętości i wakacji – żebyście nie zanudzili się czekając). Gdy po raz pierwszy pisałem o nanobotach (nanorobotach?) opartych na origami DNA, myślałem, że chociaż wszystko to fajnie brzmi w teorii – zginające się DNA, które się samo zamyka, samo otwiera, samo składa przede wszystkim – ale do praktycznego zastosowania opartej na kwasach nukleinowych maszynerii daleka, bardzo daleka jeszcze droga. O tym, jak bardzo się myliłem, mogliście poczytać niedawno tutaj. Jak większość ludzi nie znoszę się mylić, ale hipotetyzowanie na temat rozwoju technologicznego, zwłaszcza w zakresie szeroko rozumianej biotechnologii, zawsze niesie ze sobą ryzyko, że się palnie coś głupiego, co się całkiem nie sprawdzi. Albo na odwrót ;) No i ci, którym się sprawdziło, piszą o tym potem książki. A reszta, jak na przykład ja, wyżala się na blogach. Niemniej jednak zapraszam do rzucenia okiem na tę perłę z otchłani dziejów nicprostszego.

I jeszcze jedno: nie, nanoboty to nie żart primaaprilisowy…

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.

Przykłady dwuwymiarowych struktur uzyskanych z origami DNA. /Przedruk za zgodą Macmillan Publishers Ltd: Nature 440, 297-302, ©2006

ResearchBlogging.orgIch 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):

Przedruk za zgodą Macmillan Publishers Ltd: Nature 440, 297-302, ©2006

W odróżnieniu zatem od wielu innych eksperymentów biologicznych najtrudniejszym i najbardziej pracochłonnym etapem 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…

Rothemund, P. (2006). Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns Nature, 440 (7082), 297-302 DOI: 10.1038/nature04586

Andersen, E., Dong, M., Nielsen, M., Jahn, K., Subramani, R., Mamdouh, W., Golas, M., Sander, B., Stark, H., Oliveira, C., Pedersen, J., Birkedal, V., Besenbacher, F., Gothelf, K., & Kjems, J. (2009). Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid Nature, 459 (7243), 73-76 DOI: 10.1038/nature07971

2 Comments

  1. Im bardziej ktoś pierwszego kwietnia zapewnia, że coś nie jest żartem, tym bardziej to brzmi podejrzanie.
    Przypomina mi to inny wynalazek z większej skali – kawałek plastiku zaginający się w miejscach naświetlonych laserem, złożył się w pudełko.

    Lubię

    1. Tylko raz na blogu popełniłem wpis prawdziwie prima aprilisowy i z tego co pamiętam, ktoś mnie wtedy złajał za głupie żarty, więc już tego nie robię.

      Powyższy tekst jest natomiast prequelem do tego wpisu sprzed półtora miesiąca ;)

      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