Home

DNA w naturze zwija się w sposób dobrze zdefiniowany – przyjmując zawsze (lub niemal zawsze) kształt podwójnej helisy, z zasadami azotowymi ułożonymi zgodnie z zasadą Chargaffa (wg której w DNA jest zawsze ta sama ilość tyminy co adeniny i ta sama ilość cytozyny co guaniny – ponieważ parują się ze sobą). Głównym zaś zadaniem tej sekwencji 4 liter jest przechowywanie, powielanie i ogólnie zachowanie dla potomności informacji.

Kilka lat temu jednak amerykański badacz Paul Rothemund wpadł na pomysł, aby inaczej wykorzystać te wszechobecne zamki/zatrzaski, jakimi są wiążące się ze sobą zasady azotowe, i stworzyć z DNA struktury przypominające nieco papierowe origami, bardzo dalekie od klasycznej helisy – i mające zupełnie inną funkcję. W zasadzie pierwotnie origami DNA nie miało żadnej funkcji poza śmiesznych wyglądaniem. Ale jak to zazwyczaj bywa, zastosowania pojawiły się szybko. Oto historia origami DNA w czterech odsłonach: trzy pierwsze, to przedruki wpisów z bloga nic prostszego na wiadomy temat (nieco tylko zredagowane), akt ostatni to najnowsze doniesienia ze świata nukleinowego origami.

Akt I: Biologiczne origami, czyli nanoboty (wkrótce) atakują

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.

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):

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

Przedruk za zgodą 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 fluoroforybiorące 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…

Akt II: Nanoboty w akcji

Pierwsza praca o DNA origami światło dziennie ujrzała w 2006 roku i opisywała tylko struktury dwuwymiarowe. Kolejna praca z 2009 roku opisywała stworzenie z DNA pudełka, które zawierało pokrywkę zamykaną na nukleokwasowy zamek! Pod koniec pierwszego aktu przewidywałem, że działające nanoboty zobaczymy za 10-20 lat, dlatego bardzo miłym zaskoczeniem jest dla mnie to, że rzeczywistość marzenia wyprzedziła z naddatkiem. W lutym 2012 roku w magazynie Science ukazała się praca grupy George’s Churcha, która opisuje zastosowanie origami DNA do stworzenia nanobotów: cząsteczek DNA działających jak kontenery transportujące do wnętrza komórek obce substancje, np. leki, a następnie uwalniające te związki w kontrolowany sposób.

Wiele aspektów tej pracy jest arcyistotnych. Po pierwsze już to, że jako nośnika stosuje się strukturę zbudowaną z DNA, a w więc z substancji naturalnie występującej w naszym organizmie, do metabolizowania której nasze komórki są całkiem przyzwoicie wyekwipowane. Innymi słowy: nanobot wpada do komórki, robi swoje, a po zakończeniu procesu komórka jest w stanie się go pozbyć, nie zostają więc wewnątrz niej żadne molekularne śmieci.

Po drugie w związku z tym, że nie jest to ciało kompletnie obce, komórki znacznie przyjaźniejszym okiem będą na nanoboty spoglądać, a i ich obecność we wnętrzu komórki będzie mniej stresująca. Bo nie jest tak, że nie potrafimy w ogóle do komórki dostarczać leków w wyszukany sposób. Ale te sposoby są albo mało efektywne, jak na przykład wykorzystywania liposomów, o którym może kiedyś więcej, albo nie są specjalnie przyjazne, jak na przykład bombardowanie komórek miniperełkami złota obleczone związkiem, który chcemy do komórki dostarczyć, co na dużą skalę jest odpowiednikiem podawania pacjentowi leku przez strzelanie do niego kulami obleczonymi tym medykamentem.

Po trzecie niezwykle istotnym punktem jest ostatnia fraza poprzedniego akapitu: fakt, że związki mogą być z nanobotów uwalniane w sposób kontrolowany, co jest sporą nowością w dziedzinie dostarczania związków do komórek i pozwala na wybór, do jakich komórek chcemy ładunek nanobotu przesłać. Czyli innymi słowy: nanobot do organizmu wpada, znajduje komórki patologiczne – na długą metę głównym celem będą niewątpliwie komórki nowotworowe – uwalnia w ich wnętrzu leki, eliminując chorobę u jej źródła.

W szczegóły wykonania nanobotów wdawał się nie będę, oddam za to głos autorom pracy, którzy znakomicie wyjaśniają, jak to wszystko działa i z czym to się je (chociaż nanoboty nazywają nanorobotami – ja jednak wolę oryginalną nazwę z poprzednich prac o origami DNA):

[vimeo http://vimeo.com/36880067]

Dość na koniec powiedzieć, że badacze przetestowali dość dokładnie działanie nanobotów. Zaprojektowali kilka ich wersji z różnymi zamkami, otwieranymi przez białka występujące tylko w pewnych określonych typach komórek. Wewnątrz nanobotów zaś znajdowały się cząsteczki wpływające na metabolizm tych komórek. Następnie wymieszali nanoboty z hodowlami zawierającymi różne typy komórek i sprawdzili, czy rzeczywiście nanoboty specyficznie reagują tylko z wybranymi komórkami (reagowały), uwalniając do ich wnętrza cargo nanobotów (uwalniały) i wpływając na to, co się potem z komórkami dzieje (wpływały). Potencjalnie zatem niewiele stoi na przeszkodzie, aby w bardzo krótkim czasie zacząć stosować nanoboty w celach terapeutycznych, choć niewątpliwie początkowo przynajmniej będą to terapie bardzo drogie.

Cena swoją drogą, a wizjonerski charakter badań swoją. Bo praca jest olbrzymim krokiem w stronę medycyny zindywidualizowanej (straszne słowo) oraz medycyny docelowo leczącej przyczyny, nie zaś objawy chorób. Jak już wspomniałem, może to być wielki postęp w leczeniu nowotworów. No i wreszcie ucieleśniona zostaje wizja leczących nas nanorobotów – chociaż niezupełnie może w takiej formie, w jakiej większość z nas sobie to wyobrażała.

Akt III: Klocki lego z DNA

Zaledwie kilka miesięcy po publikacji George’a Churcha świat origami DNA poszedł o krok dalej: w maju 2012 roku pismo Nature opublikowało pracę grupy badaczy z Uniwersytety Harvarda, która otwiera w tej dziedzinie nową furtkę: opisuje, jak oparte o DNA struktury można budować nie z jednej długiej, ale z setek krótkich odcinków DNA.

Czym różni się ta praca od oryginalnych prac o origami DNA? Na czym polega tutaj trudność? Otóż obie metody wykorzystują do łączenia/fałdowania DNA komplementarność zasad azotowych – jeśli na dwóch niciach DNA znajdą się sekwencje ze sobą komplementarne, czyli takie, że każda guanina ma na drugiej nici cytozynę, z którą może się związać, a każda tymina – adeninę, wówczas nicie wiążą się ze sobą w tym miejscu. Zaś im dłuższa sekwencja, którą się łączą, tym silniejsze jest to wiązanie i tym bardziej prawopodobne, że połączeniu ulegną właściwe fragmenty.

Do tej pory uważano jednak, że uzyskanie detalicznej struktury zbudowanej z cegiełek krótkiego DNA nie jest możliwe, gdyż przy zbyt krótkich fragmentach kwasów nukleinowych zby duża byłaby szansa na połączenia błędne i zbyt trudno byłoby zaprojektować te fragmenty w taki sposób, aby łącząc się ze sobą robiły to w sposób unikalny – tak, żeby mieć pewność, że cegła budująca fundament nie stanie się dachówką.

Autorzy nowej pracy w Nature wykorzystali krótkie fragmenty jednoniciowego DNA, które nazwano motywem SST (z ang. single strand tile – jednoniciowy kafelek). Każdy taki fragment zawija się w U-kształt, a następnie sprzęga z innymi fragmentami rozbudowując w ten sposób podstawowy projekt. Jako że obraz wart jest tysiąca słów – zwłaszcza w tym przypadku – poniżej możecie rzucić okiem na grafikę wyjaśniającą, jak te kafeliki tworzą większy obraz.

Mechanizm łączenia się klocków DNA w cegiełkowatą strukturę. /Przedruk za zgodą Macmillan Publishers Ltd.: Wei et al., Nature 485: 623–626 ©2012

Mechanizm łączenia się klocków DNA w cegiełkowatą strukturę. /Przedruk za zgodą Macmillan Publishers Ltd.: Wei et al., Nature 485: 623–626 ©2012

Odpowiednio zaś projektując poszczególne małe nici oraz mieszając je w odpowiednich do siebie proporcjach uzyskać można całą feerię kształtów. Badacze stworzyli w ten sposób różnych struktur ponad 40. Stosując laboratoryjnego robota, który odpowiadał za dobór i mieszanie klocków DNA, udało im się całą procedurę zredukować do jednej godziny na każdy kształt.

Oczywiście proces nie jest idealny: nie wszystkie cegiełki łączą się tak, jak sobie tego życzymy. Nie wszystkie klocki łączą się w budowle w ogóle. Niemniej jednak proces działał z wydajnością bliską 20%, co, jak na pierwszą prezentację pomysłu, jest bardzo przywoite.

Autorzy pracy oferują w niej pewne wytłumaczenie tego, czemu metoda ta działa tak dobrze, mimo że – intuicyjnie rzecz biorąc – nie powinna. Na tym etapie jednak są to tylko spekulacje, zaś – jak pisze sam Paul Rothemund w towarzyszącym głównej publikacji eseju w Nature – potrzebne teraz będzie znacznie więcej badań nad wydajnościami, kinetyką procesów oraz mechanizmami, według których zachodzi budowa struktur z DNA, zarówno w przypadku origami DNA, jak i SST DNA.

Na koniec jednak Rothemund poetycko dodaje:

“Odkrycia Wei i współpracowników przypominają nam, że w kwestii konstrukcji z DNA jesteśmy tylko amatorami, i być może ośmielą wielu badaczy do tego, aby mieszać setki kawałków DNA ze sobą wbrew obiegowym opiniom, że jest to bez sensu. A wyniki prawdopodobnie wszystkich nas zaskoczą.”

Akt IV: Na pewno nie ostatni

I tak się korzystnie złożyło, że tuż przed nadciągającą nukleinową rocznicą tygodnik Science  opublikował kolejną pracę o origami DNA. Tym razem autorzy wrócili do konceptu stosowania długich nici, dla odmiany jednak złożyli je w prawdziwie trójwymiarową strukturę.

Ktoś teraz powienien zakrzyknąć: Chwila moment! To już było! Przecież opisywane przez Churche’a pudełko było trójwymiarowe. Ano było: ale zbudowane było jednak z płaskich niby-płyt uplecionych z origami DNA. Samo DNA tworzyło zatem raczej dwuwymiarowe (albo pseudo-dwuwymiarowe) struktury, które składane były w prawdziwie skomplikowaną instalację.

Pod koniec marca grupa badaczy z Uniwersytetu Stanowego w Arizonie pod wodzą Hao Yana (grupa, nie uczelnia) opublikowała pracę, w której opisali nici DNA zaprojektowane w taki sposób, że zwijały się tworząc zamkniętą sferę:

Co jest więc tutaj nowego? Po pierwsze, grupie udało się „złamać” DNA w nowy sposób, wykorzystując tzw. złącza Hollidaya. Po drugie, stworzona struktura może wykorzystywać pojedynczą nić DNA. No i oczywiście, jak wielu autorów przed nimi, Yan z kolegami ma nadzieję, że następnym krokiem będzie zastosowanie tych origami DNA klatek do specyficznego transportu leków do wnętrza komórek. I patrząc na to, jakiego rozpędu nabiera ta dziedzina badań nad DNA, tym razem optymistycznie chciałbym powiedzieć, że zobaczymy to nie za 10-20 lat, lecz lada dzień.

Przypisy:

1. Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns (2006), P.W.K. Rothemund, Nature 440: 297-302

2. Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid (2009), E.S. Andersen, M. Dong, M.M. Nielsen, K. Jahn, R. Subramani, W. Mamdouh, M.M. Golas, B. Sander, H. Stark, C.L.P. Oliveira et al., Nature 459: 73-76

3.  A Logic-Gated Nanorobot for Targeted Transport of Molecular Payloads (2012), S. Douglas, I. Bachelet,  G. Church, Science 335 (6070): 831-834

4. Complex shapes self-assembled from single-stranded DNA tiles (2012), B. Wei, M. Dai, P. Yin, Nature 485 (7400): 623-62

5. Nanotechnology: The importance of being modular (2012), P. Rothemund, E. Andersen, Nature 485 (7400): 584-585

6. DNA Gridiron Nanostructures Based on Four-Arm Junctions (2013), D. Han, S. Pal, Y. Yang, S. Jiang, J. Nangreave, Y. Liu, H. Yan, Science 339 (6126): 1412-1415

Autor: Rafał Marszałek, nicprostszego.pl

Reklamy

One thought on “Origami DNA

  1. Pingback: Podwójna helisa, czyli #DNADay 2018 – nic prostszego

Skomentuj

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

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj /  Zmień )

w

Connecting to %s