Naukowcy wykorzystują mikroskopijne nici DNA do składania bloków hydrożelowych

Naukowcy z Okinawa Graduate University of Science and Technology (OIST) wykorzystali mikroskopijne nici DNA do kierowania tworzeniem się żelowych bryłek widocznych gołym okiem.

Naukowcy donoszą dziś, że bloki hydrożelu, które mają długość do 2 mm i zawierają DNA na swojej powierzchni, po zmieszaniu w roztworze samoorganizują się w ciągu około 10-15 minut. Dziennik Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego.

Uważamy, że te hydrożelowe grudki są zdecydowanie największymi obiektami zaprogramowanymi przez DNA do tworzenia struktur strukturalnych”.

Dr Vyankat Sontake, pierwszy autor badania i doktor habilitowany w OIST Unit for Nucleic Acid Chemistry and Engineering

Proces samoorganizacji — w którym zorganizowana struktura tworzy się spontanicznie, gdy dwa lub więcej pojedynczych składników wchodzą w interakcję — jest tak powszechny w naturze, że komórki i DNA mogą samoorganizować się w zdumiewająco złożone mikroskopijne struktury. Jednak wykorzystywanie interakcji zachodzących na poziomie molekularnym do kierowania montażem obiektów makroskopowych (w sensie widocznym gołym okiem) jest stosunkowo nowym obszarem badań, szczególnie w przypadku DNA.

„Wybraliśmy DNA, ponieważ jest wysoce programowalne i zawdzięcza je niezwykłej zdolności rozpoznawania sekwencji” – powiedział starszy autor, profesor Yohei Yokobayashi, który kieruje Wydziałem Chemii i Inżynierii Kwasów Nukleinowych.

Dwuniciowy DNA składa się z dwóch pojedynczych nici DNA, które zwijają się wokół siebie, tworząc podwójną helisę. Nici są utrzymywane razem przez przeplatanie podstaw, które pasują do siebie jak wyrzynarka (A z T i C z G). Ta specyficzna zdolność do parowania zasad oznacza, że ​​naukowcy mogą projektować nici DNA, które dokładnie pasują do innych nici i będą się ze sobą łączyć.

W jednym eksperymencie naukowcy przyczepili jednoniciowe cząsteczki DNA do powierzchni czerwonych i zielonych bloków hydrożelowych. Nici DNA na czerwonych blokach są identyczne z niciami DNA na zielonych blokach.

Kiedy bloki hydrożelowe są wstrząśnięte w roztworze, pasujące nici DNA łączą się ze sobą, działając jak „klej”, który utrzymuje razem czerwone i zielone bloki. Po dziesięciu minutach rozdzielone bloki samoczynnie układają się w prostą rozgałęzioną strukturę naprzemiennych kolorów.

Co ważne, nici DNA nie oddziaływały z identycznymi niciami DNA na innych blokach, więc bloki hydrożelowe tego samego koloru nie sklejały się ze sobą.

Naukowcy przetestowali również zdolność DNA do rozpoznawania tylko określonych sekwencji, projektując cztery pary pasujących nici. Do powierzchni czerwonych kostek hydrożelu przyczepili poszczególne nośniki pierwszej dopasowanej pary. Ten sam proces przeprowadzono dla kostek hydrożelu w kolorze zielonym, niebieskim i żółtym.

Po wibrowaniu razem, pomimo obecności wielu różnych sekwencji DNA, nici wiążą się tylko z pasującą nicią, co powoduje powstanie wcześniej zmieszanych grudek hydrożelowych, które samoczynnie rozdzielają się w klastry tego samego koloru.

Profesor Yokobayashi powiedział: „To pokazuje, że proces samoorganizacji jest bardzo specyficzny i można go łatwo zaprogramować. Po prostu zmieniając sekwencję DNA, możemy skierować bloki tak, aby oddziaływały ze sobą na różne sposoby”.

Oprócz samoorganizacji naukowcy zbadali również, czy mogą wykorzystać DNA do zaprogramowania demontażu struktury. Stworzyli dwie oddzielne identyczne nici DNA, a następnie stworzyli trzecią, krótszą nić, która pasowała do części pierwszej. Przymocowali pierwszą nić i identyczną krótszą nić do kostek hydrożelu, które samoorganizują się po zmieszaniu w roztworze. Dłuższa nić DNA pasująca do pierwszej nici została następnie dodana do roztworu i przez godzinę, gdy dłuższa nić przemieszczała krótszą nić, powodując rozplątanie kostek.

„To naprawdę ekscytujące, ponieważ oznacza to, że wykorzystując DNA jako „klej” do sklejania bloków hydrożelowych, proces jest całkowicie odwracalny” – powiedział dr Sontakke. „Oznacza to, że poszczególne komponenty można również ponownie wykorzystać”.

Chociaż dotychczas utworzone struktury są proste, naukowcy mają nadzieję zwiększyć złożoność poprzez zwiększenie liczby różnych sześcianów, które są włączone do struktury i poprzez celowanie w różne nici DNA o określonych ścianach sześciennych. Planują również zwiększyć objętość bloków hydrożelowych.

„To wciąż podstawowe badania, ale w przyszłości techniki te mogą znaleźć zastosowanie w inżynierii tkankowej i medycynie regeneracyjnej” – powiedział profesor Yokobayashi. „Możliwe jest umieszczenie różnych typów komórek w kostkach hydrożelowych, które następnie mogą łączyć się w złożone trójwymiarowe struktury potrzebne do wyhodowania nowych tkanek i narządów.

– Ale – dodał. „Bez względu na potencjalne zastosowania, niesamowite jest móc zobaczyć chemię tak mikroskopijnie, jak interakcję nici DNA na własne oczy. To naprawdę zabawne dzieło nauki”.