ДНК своими руками : Jim`s Homeplace
Многие, наверняка знают, как легко и просто реплицировать часть собственной ДНК. Процесс нехитрый по сути. Зато сколько потом восторженных сюсюканий из серии “ах, как он/она похож(а) на папу/маму!”. Однако, задача сильно усложняется, когда нужно создать некую абстрактную модель ДНК у себя на столе из подручных материалов.
Нафига это мне понадобилось, спросите? Очень просто. У дочери в школе есть предмет аналогичный “биологии” в российских школах. Соответственно, ученикам задали домашний проект, который включает в себя не только получение теоретических знаний о строении ДНК, но и создание модели оной. C этой моделью потом нужно выступать перед учителем и классом, рассказывая, что там в ней и как.
Вообще, это будет не совсем “мой” пост. Он, скорее посвящен дочери. Хотя я и принимал некоторое участие в процессе, в основном это участие сводилось к консалтингу… Однако, вдруг кому будет интересно или, вдруг у кого ребенку в школе зададут сделать аналогичную шнягу. Вот и руководство готовое получится.
Согласно условиям задачи, модель должна удовлетворять определенным требованиям. Интересно, что ученик сам может выбрать, какие условия он выполнит. Каждый пункт презентации “весит” определенное количество зачетных баллов. Соответственно, можно пойти по простому пути и набрать некий минимальный проходной балл или попробовать реализовать “программу максимум”.
Исходная постановка задачи:
Так же, как следует из задачи, это не обязательно должна быть именно модель. Это может быть что угодно – от книжки с рассказом до пазла. Главное, чтобы это имело некое физическое представление. Отдельно отмечено, что, если ученик решит делать именно модель, то запрещается использовать готовый магазинный набор. Типа такого, например.
Дочь решила делать модель и постараться настрелять максимальное число баллов. ОК.
Начали с компьютерной модели… Я на самом деле – не настоящий сварщик. Ну, т.е., в общих чертах знаю, что такое ДНК, из чего она состоит и как её принято изображать. Не более того. Поэтому уже с самых первых шагов, инициативу перехватила дочь. Она смогла растолковать мне что из чего состоит и что к чему прикрепляется.
Вышло что-то вроде такого:
Когда стало понятно. какие запчасти нам понадобятся, отправились по магазинам.Понадобится: пенопластовые шарики двух размеров, деревянные прутки, краска, клей и кусочек MDF для подставки.
Ах, да… Еще обязательно понадобится Пес:
Если честно, я сам не очень понимаю за каким хреном нужен Пес, но зато у него самого уверенности в этом хватило на нас всех. На самом деле, он только мешался… Но может быть я просто что-то недопонял.
Пенопластовые шарики были куплены в “долларом” магазине. В разделе “все для вечеринок”. Даже не хочу пытаться понять, как в контексте вечеринки могут быть использованы пенопластовые шарики. Но хорошо, что они нашлись. Это был у нас самый проблематичный момент. Нужно было найти такие шарики, которые было бы легко обрабатывать. Например, стеклянные шарики не подойдут – запаришся сверлить. Деревянные… В принципе, подошли бы. Для меня. Но работать предстояло дочери и я сомневался, что она вот так сходу сможет ровно продырявить деревянный шарик ручной дрелью. Половину запорет с непривычки. А они достаточно дорогие. Нужен был более мягкий и дешевый материал. Пенопласт подошел просто идеально.
Деревянные рейки были куплены в магазине стройматериалов. Эти прутки – более тонкие собратья тех, что я использовал для декорирования кровати и тумбочек. С этим проблем не было. Они всегда есть в большом многообразии во всех строительных магазинах.
Краски/клей – тривиально. Взяли обычную краску в аэрозоле. Сперва попробовали на одном из шариков – краска пенопласт не съела. Соответственно купили нужное количество цветов. Клей – обычный ПВА.
Кусок MDF-панели для подставки у меня уже был в загашнике. Можно приступать к работе.
Сперва подставка. Дочь прислушалась к моему совету и распечатала на принтере шаблон, который приклеила на кусок MDF:
Её вариант был – найти блюдце подходящего диаметра и обрисовать по нему окружность. Но я смог её убедить, что такой путь – не путь самурая. Кому, как не мне знать, что у нас в хозяйстве нет блюдец подходящего диаметра с ровной кромкой – все с волнистым краем. Плавали уже – знаем 🙂
Далее, она вырезала размеченный диск при помощи электролобзика:
На удивление ровно вырезала. Я даже прифигел слегка…
Незначительные неровности по краю она убрала на шлифмашинке:
Чтобы придать эстетизьму подставке, её кромка была обработана на фрезе:
Получился вот такой диск:
Ну и отверстие по центру, в которое будет вставлена модель:
Далее предстояла сама занудная операция. Нужно было взять пенопластовый шарик и просверлить в нем два сквозных отверстия крест накрест. Через первое отверстие такой шарик насаживается на общую ось, в другое отверстие, с обоих его концов втыкаются поперечные палочки. Таких шариков нужно было сделать десять штук:
Труднее всего было мне. Вы не представляете себе, какая это пытка – стоять и смотреть. Вместо того, чтобы самому схватить дремель и быстро насверлить все за пару минут. Дочь управилась где-то за пол часа… Неспешная методичность с которой она все это проделывала – просто убивала меня 🙂
Полученный результат она назвала шашлыком:
Теперь в шашлык предстояло напихать поперечные палочки. Они были нарезаны все из того же деревянного прутка, что и центральная ось:
Опять же, она хотела резать палочки ножовкой, но мне удалось убедить её, что отрезной диск и дремель – гораздо быстрее.
Следующий этап: взять полученные палочки:
… и напихать их в полученный ранее шашлык:
Это нужно было для того, чтобы приклеить центральные шарики (кстати, это вам не фигня какая, а самые настоящие водородные связи) с общей палке. На фото можно увидеть, что к основанию прицеплен очередной шаблон на котором размечены сегменты. Поперечины втыкаются в шарик, на центральную ось наносится клей, шарик выставляется на нужной высоте и поворачивается вдоль нужного сектора разметки. Т.е. на данном этапе, поперечины помогают позиционировать центральный шарик с нужным углом поворота. Повторить десять раз:
После этого, поперечины можно вынуть и отправить запчасти в покраску:
Как все высохло, приступили к финишной сборке.
На каждую поперечную палочку прицеплялась деоксирибоза… Кажется… Deoxyribose в оригинале. Пес его знает, что это… Не важно. Главное, что дочь знает, что это. Ей перед учителем презентуху толкать, а не мне 🙂
Сами эти шарики должны быть белыми, поэтому красить их не пришлось:
Долгий и кропотливый процесс сборки модели:
Осталось добавить только фосфатные цепочки (phosphates). Насколько мы поняли, их и принято изображать в виде той самой, узнаваемой двойной спирали.
Из плотной толстой бумаги серебристого цвета были выкроены две ленты:
Эти полоски клеятся к вершинам крайних шариков на модели. Вот так:
На этом этапе я впервые принял личное участие. Двух рук оказалось недостаточно. Надо, чтобы кто-то один держал и направлял полоски, а второй – мазал клеем и прижимал.
Худо-бедно мы с этой процедурой управились, получив в итоге, желаемую модель:
Согласно условиям задачи, нужно было так же, обозначить все запчасти. Решили ограничиться прилепливанием легенды к подставке. Как назло, кончились цветные чернила в принтере. Поэтому пришлось напечатать ч/б вариант и раскрасить его фломастерами:
Ламинация тоже не прошла с первого раза. Агрегат сжевал две этикетки, прежде чем нормально сделал третью:
Не знаю в чем дело было. Я уже сто раз пользовался этим агрегатом и ни разу до этого он ничего не жевал… Так или иначе, свою этикетку мы получили:
Модель готова:
Теперь дочери надо вызубрить устную часть презентации. Но с этим я уже помочь ей никак не могу. Надеюсь справится сама. Еще неделя у нее есть на зубрежку теоретической части. Напишу потом, как отсрелялась с проектом..
jimblog.me
модель днк своими руками видео Смотреть лучшее видео
…
1 лет назад
Узнайте как сделать ДНК из бумаги. Оригами модель ДНК сделана из листа бумаги формата а4. Подписаться на…
…
2 лет назад
«Модель спирали д н к»+прикольное оригами+Видео урок Для изготовления потребуется листок бумаги А4. Автор…
…
11 меc назад
Всем привет, в этом видео я покажу, как сделать спираль ДНК оригами.
…
2 лет назад
Как раскрасить оригами модель днк.How to paint origami model of DNA Помогите с продвижением канала и ускорьте выход новых…
…
3 лет назад
So glad that thousands of you love this solution! (Unrelated: ) Please return the favor by checking out my startup, www.fashioncents.me! Post outfits, Earn Money.
…
3 лет назад
Создаем простую 3D модель цепочки ДНК в 3ds Max ▷ Подпишитесь на канал: https://goo.gl/Vzq0oz ▷ Поддержать материально:…
…
6 лет назад
Рассматривается Модель структуры ДНК — обзор, фото, комплектность. Заказать и купить Модель структуры ДНК…
…
6 лет назад
Рассматриваем Модель Структура ДНК разборная — обзор, фото, комплектность. Заказать и купить Модель Структу…
…
2 лет назад
Мы делаем макет атома своими руками из подручных материалов (таких как помидоры и яблоки).
…
2 лет назад
Химия. 8 класс. Тема 1. Первоначальные химические понятия. № 1.8. Школьный химический эксперимент. Первый обра…
…
3 меc назад
Все Видео Канала Рисуем Просто: https://clck.ru/B5A9R ▭▭▭▭▭▭▭▭▭▭▭▭▭▭▭▭▭▭ Я В INSTAGRAM : https://www.instagram.com/risyem_prosto/ …
…
10 меc назад
Пишите комент и говорите что напаять вам.
…
1 лет назад
Органическая химия. Предельные углеводороды. № 1.2. Школьный химический эксперимент. Первый образовательны…
…
1 лет назад
Работа участвует в конкурсе в рамках «Неделя науки в школах» Выявление ДНК в домашних условиях без специал…
…
3 меc назад
Небольшой рассказ об интересном строении ДНК, Щапина Ксения.
smotretvidos.ru
Бумажная модель ДНК (двойная спираль)
Из этой инструкции вы узнаете, как сделать модель днк из бумаги. Такую модель можно сделать для демонстрации на уроке биологии. Это не заняло много времени и принесло приятный результат.
Изготовление модели днк своими руками
Материалы
В любом случае вам потребуются:
• 1 лист бумаги 21 х 28 см
• Карандаш
• Линейка
Практически лист бумаги может быть любого размера. Лучше всего работается при ширине листа 20-22,5 см.
Использовать такую модель можно для занятного и недорогого изучения ДНК. Ученики усвоят, как четыре химических вещества (гуанин, аденин, тиамин и цитозин) объединяются в длинные сложные структуры для создания рабочего чертежа того, что делает клетка.
ПРИМЕЧАНИЕ: ДНК на фотографиях закручена влево. Как объяснили мне, фактически спираль ДНК направлена вправо. Именно из этого следует исходить, делая складки.
1. Примерно так выглядит конечный результат. Это можно сделать в цвете.
Шаг 1: Сделайте пометку в середине
Сделайте пометку в середине листа бумаги. На стандартном листе пометка будет примерно в 10,5 см от краев.
1. Это линия середины листа бумаги. Не обязательно делать сгиб по ней сейчас.
Шаг 2: Разметка сахаро-фосфатного остова
Отмеряем 1 см от каждого края и по 1 см с обеих сторон от средней линии. Эти линии ограничивают сахаро-фосфатный остов ДНК.
1. По 1 см от середины в каждую сторону
1. Вот что должно получиться.
Шаг 3: Разметка каждого азотистого основания
Теперь воспользуйтесь линейкой, чтобы провести линии через каждые 2,5 см поперек средней линии. Старайтесь провести их параллельно, иначе модель не получится.
Теперь проведите линии наискосок каждого получившегося у вас прямоугольника. Эти линии должны сойтись у середины, как буква «V». Посмотрите на снимке, как я случайно провел их неправильно.
Если вам хочется раскрасить модель, это нужно сделать именно в этом шаге. Просто разделите каждый прямоугольник пополам и раскрасьте их в соответствии с азотистыми основаниями.
Помните: аденин → тиамин, а гуанин → цитозин.
Чтобы раскрасить остов, разделите каждый участок по краям и в середине пополам и чередуйте черный и белый цвета.
1. По линии через каждые 2,5 см
1. Это нужно было сделать по-другому.
2. Это нужно было сделать по-другому.
Шаг 4: Сложите вдвое
Сложите просто прямо.
1. Сложено вдвое
Шаг 5: Отогните остов
Отогните края листа с обеих сторон, с одной — вверх, а с другой — вниз.
1. Вниз
2. Вверх
Шаг 6: Займитесь азотистыми основаниями
Отгибайте каждый прямоугольник назад по начерченным линиям. Лист должен свернуться в небольшую трубку.
1. Мило и кругло
Шаг 7: Прогните вверх
Прогибая, не слишком усердствуйте.
1. Смотри, прогнулось вверх!
Шаг 8: Согните по диагоналям
Согните назад по каждой диагональной линии. Сгибайте только диагонали прямоугольников. Модель должна скрутиться в спираль.
1. Согнуто назад
2. Согнуто по-другому
3. Не сгибайте дальше этой точки.
1. Заспиралило
Шаг 9: Сожмите модель ДНК
Бережно соберите всю модель, начиная сверху. Постарайтесь не смять ее! Сожмите , обязательно сгибая каждую складочку.
1. Полностью собрана
Шаг 10: Отпустите!
Отпустите сжатую полосу ДНК. Поздравляю! Вы у финиша!
1. Все сделано!
Шаг 11: Немного о ДНК
Для тех, кто не знает всех этих подробностей о ДНК.
ДНК означает дезоксирибонуклеиновая кислота. Она находится внутри ядрышка, которое является частью ядра эукариотических клеток. В прокариотических клетках ДНК свободно плавает из-за отсутствия в клетке мембраны.
Это рабочий чертеж для многого из того, что делает клетка. Каждый элемент ДНК называется нуклеотидом. Нуклеотид состоит из одной молекулы фосфата, одной молекулы сахара (деоксирибозы) и одного азотистого основания.
Существуют четыре типа азотистых оснований. Тиамин, аденин, гуанин и цитозин.
Тиамин соединяется только с аденином.
Цитозин соединяется только с гуанином. Особый порядок азотистых оснований определяет, что создает спираль.
Сахар (деоксирибоза) и фосфат образуют сахаро-фосфатный остов.
Причина закручивания ДНК — это способ соединения трех компонентов в нуклеотид. Совершенства в природе, как правило, нет, и трем компонентам для образования связи приходится перекрутиться.
1. Эта химическая структура изменяется в зависимости от типа азотистого основания.
doit-yourself.ru
Как сделать модель ДНК из обычных материалов Как? Так!
Содержимое:
3 метода:
Создание модели ДНК — отличный способ больше узнать о том, каким образом эта замечательная молекула образует наши гены. Используя обычные бытовые материалы, вы сможете сделать собственную модель, в которой будут сочетаться ваши знания в области науки и умение мастерить, а в итоге вы получите отличный проект.
Шаги
Метод 1 Создание модели из бусинок и трубоочистителей
- 1 Соберите материалы и инструменты. Вам понадобится минимум четыре 30-см трубоочистителя и различные бусинки по меньшей мере шести цветов.
- Для этого проекта больше всего подходит крупный пластиковый бисер, однако вы можете использовать любые бусины, отверстие в которых достаточно большое, чтобы сквозь него прошел трубоочиститель.
- Каждая пара трубоочистителей должна быть определенного цвета, что даст вам суммарно четыре трубоочистителя двух разных цветов.
- 2 Нарежьте трубоочистители. Возьмите два трубоочистителя одинакового цвета и разрежьте их на полоски длиной 5 см. Вы будете использовать их, чтобы нанизывать на них пары бусин Ц-Г и Т-А. Другие два трубоочистителя не разрезайте.
- 3 Нанизывайте бусины на трубоочиститель, который будет нитью двойной спирали. Выберите бусины двух цветов, представляющие фосфатную группу и сахар, и нанизывайте их попеременно на каждый трубоочиститель.
- Удостоверьтесь, что две длинные нити, которые формируют двойную спираль, соответствуют заданному порядку расположения цветов.
- Оставьте немного места между бусинами для того, чтобы прикрепить туда остальные куски трубоочистителя.
- 4 Нанизывайте азотистые основания. Возьмите бусинки оставшихся четырех цветов и разберите их на пары. Одна и та же пара цветов должна всегда быть вместе, чтобы соответствовать парам цитозин-гуанин и тимин-аденин.
- Разместите по одной бусине из каждой пары на концах 5-сантиметрового куска трубоочистителя. Оставьте немного места на концах, чтобы обернуть их вокруг нитей двойной спирали.
- Не важно, в каком порядке бузины размещены на трубоочистителях, главное — соблюдать правильные пары.
- 5 Соедините трубоочистители с нанизанными на них бусинами. Возьмите 5-сантиметровые куски трубоочистителя и оберните их концы вокруг нитей длинной двойной спирали.
- Разделяйте короткие куски таким образом, чтобы они всегда прикреплялись над бусинами одного и того же цвета. Бусины другого цвета на нити двойной спирали следует пропускать.
- Порядок коротких кусков не важен, лишь вам решать то, как вы хотите организовать их на нитях двойной спирали.
- 6 Изогните двойную спираль. Прикрепив все мелкие куски трубоочистителя с бусинами, изогните концы двойных спирали против часовой стрелки, чтобы получился вид настоящей нити ДНК. Ваша модель готова!
Метод 2 Создание модели из пенопластовых шариков
- 1 Соберите материалы. Для этой версии проекта вам понадобятся небольшие шарики пенопласта, иголка с ниткой, краска и зубочистки.
- 2 Покрасьте пенопластовые шарики. Выберите шесть разных цветов, которые будут представлять сахар, фосфатную группу и четыре азотистых основания. Это могут быть шесть любых цветов на ваш выбор.
- Вам нужно будет покрасить 16 шариков сахара,14 фосфатных групп и подобрать 4 разных цвета для каждого азотистого основания (цитозин, гуанин, тимин и аденин).
- Вы можете выбрать таким образом, чтобы один из цветов был белым, так вам не придется красить весь пенопласт. Это рациональнее всего применить к шарикам сахара, поскольку в этом случае общий объем вашей работы значительно уменьшится.
- 3 Разберите азотистые основания по парам. Как только краска высохнет, назначьте каждому азотистому основанию цвет. Цитозин всегда связан с гуанином, а тимин — с аденином.
- Порядок расположения цветов не имеет значения, важна только правильность пары.
- Воткните зубочистку в каждую пару шариков, оставив немного места у концов зубочистки.
- 4 Сделайте двойную спираль. Отрежьте кусок нити достаточной длины, чтобы пройти сквозь 15 пенопластовых шариков. Завяжите узел на одном конце веревки и проденьте иглу в другой.
- Выстройте пенопластовые шарики сахара и фосфатов так, чтобы они чередовались в двух рядах по 15 шариков. Шариков сахара должно быть больше, чем фосфатных.
- Убедитесь, что в обоих нитях сахар и фосфаты находились в одинаковом порядке, а если положить их рядом, то можно увидеть, что они совпадают.
- Проденьте нитку сквозь центры каждой цепочки пенопластовых шариков сахара и фосфатов. Завяжите нитку на концах, чтобы предотвратить выпадение шариков.
- 5 Прикрепите азотистые основания к двойной спирали. Возьмите зубочистки с парами азотистых оснований и прикрепите их острыми концами к соответствующим шарикам сахара на обоих длинных нитях.
- Прикрепляйте пары пенопластовых шариков только к тем шарикам, которые представляют сахар, поскольку именно такое строение имеет реальная ДНК.
- Убедитесь, что зубочистка достаточно прочно прикреплена к нити, и что пары оснований не будут отпадать.
- 6 Изогните двойную спираль. Прикрепив все пары оснований на зубочистках, изогните двойную спираль в направлении против часовой стрелки, чтобы сымитировать внешний вид настоящей двойной спирали ДНК. Ваша модель готова!
Метод 3 Создание модели из конфет
- 1 Выберите сорт конфет. Чтобы сделать боковые нити из сахара и групп фосфатов, используйте полые полоски черной и красной лакрицы. В качестве азотистых оснований возьмите конфеты «мармеладные мишки» четырех разных цветов.
- Какие конфеты бы вы ни использовали, они должны быть достаточно мягкими, чтобы их можно было проткнуть зубочисткой.
- Если у вас под рукой есть цветной зефир, он будет прекрасной альтернативой мармеладным мишкам.
- 2 Приготовьте остальные материалы. Возьмите веревку и зубочистки, которые вы используете при создания модели. Веревку нужно будет нарезать на куски длиной около 30 сантиметров, но вы можете сделать их длиннее или короче — в зависимости от выбранной вами длины модели ДНК.
- Чтобы создать двойную спираль, используйте два куска веревки одинаковой длины.
- Убедитесь, что у вас есть хотя бы 10-12 зубочисток, хотя вам может понадобиться немного больше или меньше — опять же в зависимости от размера вашей модели.
- 3 Нарежьте лакрицу. Вы будете вешать лакрицу, поочередно меняя ее цвет, длина кусков должна составлять 2,5 сантиметра.
- 4 Разберите мармеладных мишек по парам. В нити ДНК в парах расположены цитозин и гуанин (Ц и Г), а также тимин и аденин (Т и А). Выберите мармеладных мишек четырех различных цветов — они будут представлять разные азотистые основания.
- Не важно, в какой последовательности располагается пара Ц-Г или Г-Ц, главное другое — чтобы в паре были именно эти основания.
- Не делайте пары с несоответствующими цветами. Например, нельзя объединять Т-Г или А-Ц.
- Выбор цветов может быть абсолютно произвольным, он полностью зависит от личных предпочтений.
- 5 Повесьте лакрицу. Возьмите два куска веревки и завяжите каждую в нижней части, чтобы предотвратить соскальзывание лакрицы. Затем нанизывайте на веревку сквозь центральные пустоты кусочки лакрицы чередующихся цветов.
- Два цвета лакрицы символизируют сахар и фосфат, которые образуют нити двойной спирали.
- Выберите один цвет, который будет сахаром, ваши мармеладные мишки будут прикрепляться к лакрице именно этого цвета.
- Убедитесь, что на обеих нитях кусочки лакрицы расположены в одинаковом порядке. Если вы положите их рядом, то цвета на обеих нитях должны совпасть.
- Завяжите другой узел на обоих концах веревки сразу после того, как вы закончите нанизывать лакрицу.
- 6 Прикрепите мармеладных мишек с помощью зубочисток. Как только вы распределили по парам всех мишек, получив группы Ц-Г и Т-А, воспользуйтесь зубочисткой и прикрепите по одному мишке из каждой группы на оба кончика зубочисток.
- Протолкните мармеладных мишек на зубочистку так, чтобы торчало хотя бы полсантиметра острой части зубочистки.
- У вас может получиться больше одних пар, чем других. Количество пар в реальной ДНК определяет различия и изменения генов, которые они образуют.
- 7 Прикрепите мишек к лакрице. Разложите ваши лакричные нити на гладкой поверхности и прикрепите зубочистки с мармеладными мишками к лакрице, вставляя в нее острые концы зубочисток.
- Вставлять зубочистки нужно только в молекулы»сахара». Это — все кусочки лакрицы одного цвета (например, все красные кусочки).
- Используйте все зубочистки с мармеладными мишками, не старайтесь сэкономить.
- 8 Изогните двойную спираль. Прикрепив все зубочистки с мармеладными мишками к лакрице, изогните нити в направлении против часовой стрелки, чтобы придать модели вид двойной спирали. Наслаждайтесь видом выполненной вами модели ДНК!
Прислал: Осипова Жанна . 2017-11-11 20:14:34
kak-otvet.imysite.ru
путь от гравюры до нанороботов длиной в 30 лет
Сложить журавлика из бумаги легко! Сложить журавлика из молекулы ДНК… тоже легко! Немного усидчивости и мастерства позволяют своими руками создавать из бумаги настоящие произведения искусства. Молекулы ДНК, в свою очередь, не требуют специальных навыков и собираются в красивые структуры на подобие оригами легко и непринужденно! Звучит как бред сумасшедшего, скажете вы. Отнюдь! Из этой статьи вы узнаете, как создать свою собственную фигурку оригами из ДНК, как похитить золото с помощью роботов, и кто победит в схватке между тараканом и ДНК-машиной.
Эта работа публикуется в рамках конкурса научно-популярных статей, проведенного на конференции «Биология — наука 21 века» в 2014 году.ДНК-оригами и связанные с этим ДНК-нанотехнологии сформировали в последнее десятилетие отдельное научное направление и получили стремительное развитие в работах нескольких научных групп по всему миру. В общем случае, за термином «ДНК-оригами» скрывается технология направленного конструировании молекул ДНК, способных к самосборке в заранее рассчитанные и смоделированные объекты. Такие конструкции могут быть как плоскими, так и объемными, довольно простыми и чрезвычайно замысловатыми. Все так же, как в японском искусстве складывания бумажного листа, только здесь вместо листа бумаги выступает нить ДНК!
Как и многие научные открытия и разработки, это направление возникло, в некоторым смысле, случайно и неожиданно. Впервые о конструировании и использовании 3D-структур из ДНК всерьез заговорил американский ученый Нэд Симан (Ned Seeman) в начале 1980-х гг. Исследователь указывал на одну из главных сложностей метода рентгеновской кристаллографии (используемого тогда и по сей день для определения структуры белковых молекул), а именно необходимость подбора точных условий для получения «чистого» кристалла, по которым можно судить о структуре белка, и ставил своей целью разработку вспомогательной технологии фиксации белковых образцов (рис. 1). Для решения поставленных задач нужно было для начала разобраться с тем, как по собственному желанию и разумению собирать молекулы ДНК в необходимые конструкции.
Рисунок 1. А. Гравюра на дереве «Глубина», созданная Маурицем Корнелисом Эшером в 1955 году. Поговаривают, что, глядя на это произведение искусства в университетской столовой, Нэд Симан вдохновился на создание новой технологии, упрощающей кристаллизацию полипептидов и, следовательно, структурные исследования белков. С определением пространственной организации белков что-то не заладилось, но зато идеи Симана были подхвачены другими исследователями и привели к возникновению ДНК-оригами [1, 2]. Б. Схема процесса кристаллизации белков, нарисованная Симаном (перевод автора статьи). В. Идея ДНК-структур для правильной ориентации молекул в пространстве, изображенная Симаном (перевод автора статьи).
Поиск и описание различных свойств элементарных ДНК-конструктов длились несколько лет. В 1991 году Нэд Симан представил нанометровый куб, ребра которого представляли собой молекулы ДНК [3]. Спустя некоторое время, несмотря на скептическое отношение некоторых ученых, работа была признана выдающейся. За неё Нэд Симан был удостоен Фейнмановской премии по нанотехнологиям в 1995 году и навсегда вошел в историю науки как создатель первых ДНК-нанотехнологий.
Результаты Нэда Симана и его лаборатории послужили фундаментом для идей другого блистательного исследователя и, без преувеличения, крупной фигуры в области ДНК-оригами — американца Пола Ротемунда. В 2006 году он опубликовал статью в авторитетнейшем научном издании Nature [4], в которой был описан метод получения точных ДНК-структур с заданной формой, а также были представлены детальные результаты и анализ такого направленного конструирования. В отличие от других исследователей, ему удалось строить не решетки из отдельных молекул, а настоящие плоские фигуры шириной в несколько цепочек ДНК (рис. 2). Эта статья сразу разлетелась по научно-популярным журналам, новостям и блогам, ведь представленные структуры и изображения впечатляли даже неподготовленного с научной точки зрения читателя. Не удивительно, что иллюстрации эксперимента красовались на обложке выпуска журнала.
Рисунок 2. Некоторые структуры, построенные при помощи ДНК-оригами и представленные в статье Пола Ротемунда [4].
В последующие годы вышло несколько десятков статей, посвященных технологии ДНК-оригами. Росло число полученных форм, размеров конструкций и их сложности. Некоторые из результатов были экспериментально опробованы на реальных биологических объектах для решения прикладных биотехнологических и медицинских задач.
Двумерное ДНК-оригами: от простого к сложному
Как же ученые складывают ДНК-оригами? Разберемся в деталях данного метода. Для начала нам потребуется длинная одноцепочечная молекула ДНК, которая будет играть роль каркаса и основы нашего будущего объекта. В первых экспериментах использовалась ДНК фага M13 длиной 7249 нуклеотидов, однако сейчас с усовершенствованием ряда технологий стали использовать другие последовательности ДНК. Затем нам понадобятся заранее синтезированные короткие комплементарные цепочки ДНК (также называемые «скрепляющими цепочками» или «ДНК-скрепками», обычно 30-40 нуклеотидов в длину), последовательность которых необходимо подобрать при помощи компьютерного моделирования и анализа структур. Теперь смешаем растворы с длинной молекулой и короткими «скрепками» и нагреем смесь до температуры 95 °C, чтобы случайные и ненужные молекулярные связи распались. В процессе остывания до комнатной температуры (эта процедура называется отжигом) молекулы ДНК сами соберутся вместе, образуя нужную нам структуру. Проще простого — они всё делают за нас сами!
Рисунок 3. А, Б иллюстрируют схему связей между каркасной ДНК (серая кривая) и скрепляющими олигонуклеотидами (кривые разных цветов) [4]. В) Пошаговая схема по изготовлению ДНК-оригами [5].
В результате эксперимента получается раствор, содержащий желаемые ДНК-конструкции. В одной-единственной капле раствора скрываются миллиарды крошечных объектов, которые, в отличие от бумажных фигурок оригами, нельзя потрогать, повертеть в руках и рассмотреть. Для оценки результата нам потребуется прибор со сверхвысоким разрешением — атомно-силовой микроскоп (АСМ) [6] или электронный микроскоп. Ведь рассмотреть фигурки размером 50-100 нм так непросто!
Для создания плоских структур ДНК-оригами смежные двухцепочечные молекулы должны быть соединены друг с другом кроссовером — особым типом переплетения нитей ДНК. Такое переплетение «склеивает» соседние цепочки посредством уотсон-криковского комплементарного спаривания и не дает всей структуре рассыпаться. Учитывая большое количество скрепляющих цепочек, требуются алгоритмы для расчета вероятности их точной посадки на основную цепь. Если ДНК-скрепка сядет не в том месте, то это может повлечь за собой как дефект структуры, так и полную путаницу в посадке всех остальных скрепок. В худшем случае это может привести к тому, что структура не соберется вовсе. Все-таки самосборка молекул в идеально плоскую структуру — это не такая уж и легкая задача.
Рисунок 4. Точность собранного рисунка может быть довольно высока и находиться буквально на грани разрешения современных приборов. Можно добиться того, чтобы на ровном плоском «ДНК-полотне» в заранее предусмотренных местах будут выбиваться ДНК-шпильки. Это выглядит так, как если бы на кусочке ткани сделали рисунок узелками. Именно так была собрана карта западного полушария Земли, которую можно было увидеть исключительно при помощи АСМ (а, б).
Двумерные структуры на основе ДНК-оригами позволяют достичь не только большого многообразия форм — с помощью этой техники можно добиться невиданной до этого точности в размещении требуемых функциональных групп и молекул. Связанные с ДНК-скрепками молекулы могут быть размещены с точностью до нескольких нанометров и даже ангстрем (при условии правильной сборки)!
Если требуется собрать структуру побольше, нужно всего лишь соединить несколько длинных цепочек в одну составную конструкцию, как в конструкторе или крупных оригами-фигурах. На практике это можно осуществить так же, как было описано для одной единственной каркасной молекулы ДНК — нужно смешать все ингредиенты будущего объекта в одной пробирке, нагреть и ждать чуда, или собрать каждую деталь по отдельности, после чего объединить уже готовые элементы для окончательной сборки при менее интенсивном нагреве. В первом подходе нам приходится работать с достаточно большим количеством компонентов, ввиду чего увеличивается вероятность неправильной сборки молекул. При сборке деталей по отдельности необходимо провести несколько независимых экспериментов и совершить дополнительный шаг — повторный отжиг малых структур при нагреве до температуры 50 °C. При такой температуре детали еще не разваливаются на части, но уже более охотно связываются с друг с другом [7, 8].
Трехмерное ДНК-оригами
При определенных модификациях подход, который применяется для конструирования плоских структур, может быть обобщен до более сложного объемного случая. При конструировании 3D-структур можно, как и раньше, использовать кроссоверы, учитывая дополнительное третье измерение, и собирать все за один эксперимент, либо нужно начинать с собранных по отдельности плоских ДНК-объектов и лишь потом объединять их в конечную конструкцию. Выбор правильной последовательности действий в случае трехмерного ДНК-оригами чрезвычайно важен из-за значительно большего числа используемых молекул. Для особо сложных конструкций (особенно, при выборе первой стратегии сборки за один эксперимент) самосборка объекта может занимать несколько дней.
Несмотря на все сложности, которые могут возникнуть, объемные конструкции так привлекательны для исследователей! Ведь объемные объекты, ввиду многообразия возможных форм, могут быть использованы в широком круге самых разных прикладных задач.
Рисунок 5. ДНК-«коробочка» с открывающейся крышкой и молекулярным «замком». Получена в Датском центре ДНК-нанотехнологий в 2009 году. Предполагается, что в будущем такая конструкция будет использоваться для адресной доставки лекарств к определенным клеткам, где она будет открыта при помощи молекулярного «ключа».
Так, используя несколько одинаковых квадратов, ученым удалось собрать полый куб [9] (правда, немного деформированный). Для устранения недостатков конструкции исследователи приделали к этому кубу крышку, которая запиралась на замок нанометровых размеров. Открытием крышки можно было управлять при помощи изменения конформации замка за счет спаривания с небольшими «ДНК-ключами» (рис. 5). Убедиться в том, что куб надежно закрывается на замок и открывается лишь определенным ключом, помог эффект FRET [17]. При этом данная конструкция стала одним из первых в своем роде контейнером для адресной доставки лекарств. Пока только в перспективе, конечно же.
Следующим этапом конструирования 3D объектов стала сборка строительных блоков, которые в дальнейшем скреплялись между собой, как детали конструктора (подробнее об этом можно прочесть в [10]).
Словарик
- Аптамер — короткая цепочка ДНК, специфически связывающаяся с молекулой-«мишенью». Специальным образом «собранные» аптамеры могут связываться с нуклеиновыми кислотами, белками, полисахаридами и другими молекулами.
- АСМ — атомно-силовая микроскопия — метод, позволяющий определять структуру поверхности исследуемых образцов посредством сканирования сверхтонким зондом [6].
- ДНК-шпилька — двухцепочечный участок одноцепочечной молекулы ДНК, образованный в результате комплементарного спаривания между соседними инвертированными последовательностями нуклеотидов.
- Отжиг — процедура нагрева и постепенного охлаждения раствора с молекулами. При нагреве происходит разрыв слабых молекулярных связей, которые начинают восстанавливаться при охлаждении образца.
- FRET — резонансный перенос энергии флуоресценции [17].
Применение ДНК-оригами: ДНК-чипы, молекулярные машины и нанороботы
Пока мы затрагивали в основном процесс конструирования и сборки ДНК-оригами, и практически никак не упоминали о том, зачем все это нужно. И действительно, ведь ДНК-структуры разрабатываются не для того чтобы ими любоваться и получать эстетическое удовольствие! Современные ДНК-нанотехнологии направлены на решение нескольких прикладных задач, связанных с медициной, биотехнологией и программированием.
ДНК-конструкции могут нести на поверхности несколько строго ориентированных функциональных групп, специфически связывающих ту или иную молекулу, и, таким образом, регистрировать их присутствие. В самых простых случаях синтезируется специальная ДНК-скрепка с последовательностью, комплементарной молекуле РНК или ДНК в растворе. При использовании АСМ мы можем зафиксировать даже акт единичного связывания такой молекулы, так как при возникновении связи между структурой ДНК-оригами и целевой молекулой, последняя начинает сильно «выпирать» [11]. Это сразу бросается в глаза при анализе изображения.
Использование лигандов или аптамеров позволяет создавать настоящие сенсорные чипы. С их помощью можно регистрировать наличие не только одноцепочечных молекул нуклеиновых кислот, но и интересующих нас молекул белков и других соединений. При удачном стечении обстоятельств, речь может идти об обнаружении даже единичных молекул.
Способность к регистрации можно улучшить, фиксируя структуры ДНК-оригами на поверхности подложки. Подложка при этом заранее размечается методами литографии и травления, после чего обрабатывается специальными химическими соединениями. При правильной подготовке «плацдарма» для посадки, ДНК-структуры выстраиваются точно по порядку в интересующих нас местах и даже в нужной ориентации [12]. В совокупности, последовательность таких операций дает довольно точное размещение на подложке конструкций ДНК-оригами, которые, в свою очередь, служат подложкой для еще более точного размещения исследуемых молекул самой разной природы. Чип для широкого круга регистрируемых химических соединений готов к использованию!
Одним из интереснейших направлений ДНК-нанотехнологий является создание молекулярных машин, которые могли бы проводить разнообразные операции при минимальном участии человека. Например, Нэд Симан с коллегами собрал шагающую ДНК-машину с двумя ногами [13, 14]. На заранее сконструированной подложке (тоже собранной из ДНК) они разместили несколько других простых ДНК-машин, которые держали золотые наночастицы и могли их высвобождать при изменении конформации. Наш «молекулярный пешеход» ходил по подложке (по заранее известной дороге, которую тоже надо было собрать) и, когда оказывался вблизи носителей золота, отбирал у них золотую наночастицу! Заполучив немного золота, наш герой не успокаивался и шел за следующей порцией золотой добычи. По окончанию экспериментов жадный ДНК-пешеход должен был неплохо обогатиться!
Для того, чтобы продемонстрировать возможности программируемого перемещения молекулярных машин, другая группа исследователей собрала ДНК-«паука» с тремя ногами и одним хвостом [15]. (Странный, конечно, паук получился, но мы закроем на это глаза.) К ногам ДНК-«паука» были прикреплены функциональные молекулярные группы, которые позволяли перемещаться по специально созданной для этого трассе. Паук был привязан молекулой-замком за хвост в самом начале своего пути; затем, после связывания молекулы-замка с молекулой-ключом, его отпускали на свободу, и он убегал исследовать мир! Передвижение ДНК-паука было заснято в реальном времени при помощи микроскопии полного внутреннего отражения — его средняя скорость составила 3 нм/мин. Видимо, он не убегал, а скорее с наслаждением прогуливался по своей дорожке.
Большие надежды возлагаются на ДНК-оригами и другие ДНК-нанотехнологии в связи с вопросом адресной доставки лекарственных средств нуждающимся клеткам. К сожалению, это направление не проработано так хорошо, как другие, и всё ещё находится на стадии интенсивных исследований. Остается верить, что открытия, связанные с ДНК-роботами, служащими на благо здравоохранения и человечества в целом, ещё впереди!
Вместо заключения
К настоящему моменту учеными из разных стран собран большой объем экспериментальных данных и описано большое число механизмов на основе ДНК-технологий, которые ещё только предстоит полностью осмыслить и оценить. Уже сейчас подробно описать каждую из полученных структур и её преимущества над другими не представляется возможным. Ведь если только 10 лет назад исследованиями такого рода занималось всего несколько лабораторий во всем мире, сейчас их количество исчисляется несколькими десятками. Относительно будущего данной области науки сказать определенно можно только одно — дальше будет еще интереснее! Чтобы убедить вас в этом, приведем заголовок статьи, которая вышла в апреле 2014 года — «Universal computing by DNA origami robots in a living animal», в которой описано использование ДНК-нанороботов в живых тараканах [16]. Уверяем вас, удивительное будущее не за горами!
- Seeman N.C. (1982). Nucleic acid junctions and lattices. J. Theor. Biol. 99, 237-247;;
- Seeman N.C. (2003). DNA in a material world. Nature 421, 427-431;;
- Chen J., Seeman N.C. (1991). The Electrophoretic Properties of a DNA Cube and its Substructure Catenanes. Electrophoresis 12, 607-611;;
- Rothemund P.W. (2006). Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns. Nature 440, 297-302;;
- Castro C.E., Kilchherr F., Kim D.N., Shiao E.L., Wauer T., Wortmann P., Dietz H. (2011). A primer to scaffolded DNA origami. Nat. Methods 8, 221-229;;
- Атомно-силовая микроскопия: увидеть, прикоснувшись;
- Rajendran A., Endo M., Katsuda Y., Hidaka K., Sugiyama H. (2010). Programmed two-dimensional self-assembly of multiple DNA origami jigsaw pieces. ACS Nano 5, 665-671;;
- Zhao Z., Liu Y., Yan H. (2011). Organizing DNA origami tiles into larger structures using preformed scaffold frames. Nano Lett. 11, 2997-3002;;
- Andersen E.S., Dong M., Nielsen M.M., Jahn K., Subramani R., Mamdouh W., Kjems J. (2009). Self-assembly of a nanoscale DNA box with a controllable lid. Nature 459, 73-76;;
- Элементы: «Наноструктуры из ДНК можно собирать по принципу конструктора „Лего“»;
- Ke Y., Lindsay S., Chang Y., Liu Y., Yan H. (2008). Self-assembled water-soluble nucleic acid probe tiles for label-free RNA hybridization assays. Science 319, 180-183;;
- Kershner R.J., Bozano L.D., Micheel C.M., Hung A.M., Fornof A.R., Cha J.N., Wallraff G.M. (2009). Placement and orientation of individual DNA shapes on lithographically patterned surfaces. Nat. Nanotechnol. 4, 557-561;;
- Omabegho T., Sha R., Seeman N.C. (2009). A bipedal DNA Brownian motor with coordinated legs. Science 324, 67-71;;
- Gu H., Chao J., Xiao S.J., Seeman N.C. (2010). A proximity-based programmable DNA nanoscale assembly line. Nature 465, 202-205;;
- Lund K., Manzo A.J., Dabby N., Michelotti N., Johnson-Buck A., Nangreave J., Yan H. (2010). Molecular robots guided by prescriptive landscapes. Nature 465, 206-210;;
- Amir Y., Ben-Ishay E., Levner D., Ittah S., Abu-Horowitz A., Bachelet I. (2014). Universal computing by DNA origami robots in a living animal. Nat. Nanotechnol. doi: 10.1038/nnano.2014.58;
- Рулетка для спектроскописта.
biomolecula.ru
как из ДНК делают интересные штуки нанометрового размера / Хабр
Недавно я обнаружил весьма печальный факт: на Хабре совершенно не освещена такая забавная тема, как ДНК-оригами. Есть только один пост 2009 года, рассказывающий лишь самое начало занимательной истории о том, как из ДНК (да-да, той самой дезоксирибонуклеиновой кислоты, несущей нашу генетическую информацию) можно создавать всякие хитрые, плоские и трехмерные штуки нанометрового размера. Та самая нано-технология, как она есть. В этом обзоре я хочу рассказать о развитии ДНК-оригами: двухмерные смайлики из ДНК, трехмерные фигуры, кристаллы из ДНК с запрограммированной структурой, ДНК-«коробочки» с крышкой, способные нести молекулы нужных веществ и выпускать их после сигнала об открытии крышки, и, наконец, динамические структуры типа ДНК-шагохода (walker), гуляющего по подложке (создатели гордо говорят, что это уже наноробот!). Кто хочет узнать больше о том, зачем все это нужно, почитать о технологиях изготовления красивых нанометровых штук из ДНК или просто посмотреть красивые картинки, добро пожаловать под кат.
Так выглядит ДНК-наноробот
Немного теории
В конце двадцатого — начале двадцать первого века встал вопрос о конструировании объектов нанометрового размера. Для чего? Общий вектор на миниатюризацию существует достаточно давно, причем исторически это всегда было движение «сверху вниз» — например, в 70-х годах при изготовлении микросхем минимальный контролируемый размер составлял 2-8 мкм, далее это значение стремительно уменьшалось и сейчас в серийном производстве находятся чипы, выполненные по 22-нм технологическому процессу. Тут у думающих людей возник вопрос: а нельзя ли двигаться «снизу вверх»? Нельзя ли заставить атомы и молекулы собираться в нужные структуры и затем эти структуры использовать в технике? Очевидны требования к такой «самособирающейся» системе: материалы для нее должны быть достаточно дешевыми и доступными, самосборка сложной пространственной структуры системы должна легко и очевидно «программироваться», система должна быть способна нести полезный функционал. Тут же вспомнили, что в природе такие самособирающиеся системы уже существуют и прекрасно работают — это макромолекулы всех живых организмов, например, белки. Здесь приходит и первое разочаровние — белки слишком сложно устроены, их трехмерная структура задается совершенно неочевидным образом множеством нековалентных взаимодействий и получить белок с произвольной структурой — до сих пор абсолютно нетривиальная и нерешаемая задача. То есть использовать белки для конструирования нужных объектов нано-размеров технически невозможно. Что же делать? Оказывается, есть и другие макромолекулы, чья структура устроена гораздо проще структуры белков.
В 1953 году Уотсон и Крик опубликовали свою модель структуры ДНК, оказавшейся абсолютно верной. ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это интересно устроенный линейный полимер. Одна нить ДНК состоит из монотонно повторяющегося сахаро-фосфатного остова (он асимметричен и имеет направление, различают 5′ и 3′ конец цепи), однако к каждому сахару (дезоксирибозе в случае ДНК) прикреплен один из четырех нуклеотидов (синоним слова нуклеотид — «основание») — аденин, либо тимин, либо цитозин, либо гуанин. Обычно их обозначают одной буквой — А, Т, Ц, Г. Таким образом, в ДНК есть только 4 типа мономеров, в отличие от 20 аминокислот в составе белка, что делает структуру ДНК намного проще. Дальше становится еще веселей — есть так называемое «Уотсон-Криковское спаривание оснований»: аденин может специфично связываться с тимином, а гуанин — с цитозином, образуя пары А-Т и Г-Ц (и еще Т-А и Ц-Г, разумеется), другие взаимодействий между нуклеотидами в упрощенном случае можно считать невозможными (они возможны в виде исключения при некоторых редких условиях, но для нас это не важно). Уотсон-Криковское спаривание оснований еще называется комплементарностью.
Две цепи ДНК, последовательность оснований которых комплементарна, немедленно «слипаются» в двойную спираль.Возникает вопрос: а что, если на одной цепи ДНК находятся две комплементарные области? Ответ: цепь ДНК может согнуться и комплементарные области смогут образовать двойную спираль, а вместе с местом изгиба эта структура будет называться «шпилькой» (DNA hairpin): 
На чем же основано «слипание» двух комплементарных цепей ДНК (или, аналогично, двух комплементарных участков одной цепи)? Это взаимодействие держится на водородных связях. Пара А-Т соединяется двумя водородными связями, пара Г-Ц — тремя, поэтому эта пара более энергетически устойчива. Про водородные связи надо понимать следующее: энергия одной водородной связи (5 ккал/моль) не намного превосходит энергию теплового движения, а значит, одна отдельно взятая водородная связь может быть с высокой вероятностью тепловым движением разрушена. Однако, чем больше водородных связей, тем более устойчивой становится система. Это значит, что короткие участки комплементарных оснований ДНК не могут образовать устойчивую двойную спираль, она будет легко «плавиться», однако более длинные комплементарные участки уже смогут образовать стабильные структуры. Стабильность двухцепочечной структуры выражается одним параметром — температурой плавления (Тм, melting temperature). По определению, температура плавления — это температура, при которой в равновесии 50% молекул ДНК с данной длиной и последовательностью нуклеотидов находятся в двухцепочечном состоянии, а другие 50% — в расплавленном одноцепочечном состоянии. Очевидно, что температура плавления напрямую зависит от длины комплементарной области (чем длиннее — тем выше температура плавления) и от нуклеотидного состава (так как в паре Г-Ц три водородные связи, а в паре А-Т — две, то чем больше пар Г-Ц, тем выше температура плавления). Температура плавления для данной последовательности ДНК легко считается по эмпирически выведенной формуле.
От теории к практике
Итак, теорию мы изучили. Что же мы можем сделать на практике? С помощью химического синтеза мы можем напрямую синтезировать цепи ДНК длиной до 120 нуклеотидов (просто потом выход продукта резко падает). Если же нам нужна более длинная цепь, то ее без проблем можно собрать из тех самых химически синтезированных фрагментов длиной до 120 нуклеотидов (например, дядюшка Крейг Вентер отличился тем, что из кусочков собрал ДНК длиной аж 1,08 миллиона пар оснований). То есть в 21 веке мы можем легко и дешево делать ДНК любой последовательности, какой только захотим. А хотим мы, чтобы потом ДНК сворачивалась во всякие хитрые и сложные структуры, которые мы потом сможем использовать. Для этого у нас есть принцип комплементарности — как только в последовательности ДНК появляются комплементарные зоны, они слипаются и образуют двухцепочечный участок. Очевидно, мы хотим делать структуры, стабильные при комнатной температуре, значит мы хотим рассчитать температуру плавления для данных участков и сделать ее достаточно большой. При этом на одной цепи ДНК мы можем делать много разных областей с разными последовательностями и слипаться будут только комплементарные. Так как комплементарных областей может быть несколько, в результате молекула может свернуться достаточно сложным образом! Как-то так, например:
Так же, помимо положительного дизайна (создание областей, способных образовывать нужную нам структуру), при разработке структур с самосборкой нельзя забывать и о негативном дизайне — нужно проверять получившуюся последовательность ДНК на потенциальное наличие паразитных взаимодействий (когда части созданных нами областей оказываются способными взаимодейстовать по-другому, образуя ненужные нам паразитные структуры) и от этих паразитных структур и взаимодействий избавляться, меняя нуклеотидную последовательность ДНК. Как получить простейшие структуры ДНК типа «шпильки» достаточно очевидно, но скучно и неинтересно. Можно ли из ДНК сделать что-то посложнее? Здесь уже без компьютерных вычислений не обойтись. Мы хотим некую структуру и теперь должны подобрать последовательность ДНК, которая в эту структуру свернется за счет взаимодействия комплементарных областей, но при этом в последовательности не должно быть паразитных взаимодействий, непредусмотренных нами комплементарных областей, образующих альтернативные структуры. Плюс структура должна отвечать другим критериям, например, иметь температуру плавления выше некоторой заданной величины. В результате имеем типичную оптимизационную задачу.
Двухмерные структуры из ДНК
Методологический прорыв устроил Paul Rothemund (Калифорнийский Технологический Институт) в 2006 году, именно он и придумал термин «ДНК-оригами». В своей статье в «Nature» он представил множество забавных двухмерных объектов, сделанных из ДНК. Принцип, предложенный им, достаточно прост: взять длинную (примерно 7000 нуклеотидов )«опорную» одноцепочечную молекулу ДНК и затем с помощью сотни коротких ДНК-скрепок, образующих двухцепочечные области с опорной молекулой, согнуть опорную ДНК в нужную нам двухмерную структуру. Вот рисунок из оригинальной статьи, представляющий все стадии разработки. Для начала (а) нарисуем нужную нам форму красным цветом и прикинем, как заполнить ее ДНК (представим ее на этом этапе в виде труб). Далее (b) представим, как провести одну длинную опорную молекулу по нужной нам форме (показана черной линией). На третьем этапе (с) подумаем, где мы хотим разместить «скрепки», стабилизирующие укладку длинной опорной цепи. Четвертый этап (d): больше деталей, прикидываем, как будет выглядеть вся нужная нам структура ДНК и, наконец, (e) мы имеем схему нужной нам структуры, можно заказывать ДНК нужной последовательности!
Как же из химически синтезированных ДНК собрать нужную нам структуру? Здесь на помощь приходит процесс плавления. Мы берем пробирку с водным раствором, бросаем в нее все фрагменты ДНК и нагреваем до 94-98С, температуры, которая гарантировано плавит всю ДНК (переводит ее в одноцепочечную форму). Далее мы просто очень медленно (в течении многих часов, в некоторых работах — в течении нескольких дней) охлаждаем пробирку до комнатной температуры (эта процедура называется «отжиг», annealing). При этом медленном охлаждении, когда температура оказывается достаточно низкой, постепенно образуются нужные нам двухцепочечные структуры. В оригинальной работе в каждом эксперименте примерно 70% молекул успешно собирались в нужную структуру, остальные имели дефекты.
Далее, после того, как структура рассчитана, неплохо бы доказать, что она собирается именно так, как нам надо. Для этого чаще всего используют атомно-силовую микроскопию, которая как раз прекрасно показывает общую форму молекул, но иногда используют и cryo-EM (электронную микроскопию). Автор сделал множество веселых форм из ДНК, на картинках представлены расчетные структуры и результат экспериментального определения структур с помощью атомно-силовой микроскопии. Наслаждайтесь!
Трехмерные структуры из ДНК
После того, как разобрались с конструированием сложных плоских объектов, почему бы не перейти к третьему измерению? Здесь пионерами была группа ребят из Института Скриппса в Ла-Холле, Калифорния, которые в 2004 году придумали, как из ДНК сделать нано-октаэдр. Хотя эта работа и сделана на 2 года раньше плоского ДНК-оригами, в тот раз был решен лишь частный случай (получение октаэдра из ДНК), а в работе по ДНК-оригами было предложено общее решение, поэтому именно работа 2006 года по ДНК-оригами считается основополагающей.
Октаэдр был сделан из одноцепочечной молекулы ДНК длиной примерно 1700 нуклеотидов, имеющей комплементарные области и к тому же скрепленой пятью 40-нуклеотидными ДНК-адаптерами, в результате был получен октаэдр с диаметром 22 нанометра.
На рисунке обратите внимание на цветовую кодировку на двухмерной развертке октаэдра. Видите области, отмеченные одинаковым цветом? Они содержат как комплементарные зоны (параллельные участки соединенные поперечными связями), так и некомплементарные (на схеме они изображены в виде пузырьков), при этом зоны одного цвета, расположенные в разных частях двухмерной развертки, взаимодействуют друг с другом, образуя сложную структуру, изображенную на рисунке 1с и образующую грань трехмерного тетраэдра. Наслаждайтесь красивыми картинками!
В 2009 году ученые из Бостона и Гарвардского Университета опубликовали принципы построения трехмерного ДНК-оригами, как они сами говорят, по подобию пчелиных сот. Одно из достижений этой работы — люди написали open-source программу caDNAno для конструирования трехмерных структур ДНК (она работает на Autodesk Maya). С этой программой даже неспециалист может собрать нужную структуру из готовых блоков с использованием простенького графического интерфейса, а программа рассчитает необходимую последовательность (или последовательности) ДНК, в эту структуру сворачивающуюся.
В следующей своей работе они научились делать из ДНК сложные трехмерные объекты с контролируемым искривлением и порадовали читателей журнала «Science» красивыми картинками разных искривленных объектов из ДНК (там такие классные шестеренки получились!).
Периодические структуры
До сих пор ученые игрались с непериодическими структурами из ДНК. А что если сделать такую структуру, чтобы один блок мог взаимодействовать с другим таким же блоком, и так до бесконечности? Представьте себе три отрезка, расположенных под углом 90 градусов друг к другу (походит на противотанковый еж). Очевидно, что такая структура может быть узлом бесконечной кубической решетки, если каждая сторона такого ежа будет взаимодействовать с другим таким ежом. Именно эту идею в 2010 году воплотили на практике ученые из Нью-Йорка, они сделали такого ДНК-ежа, который немедленно сформировал трехмерную решетку, то есть кристалл из ДНК, так что они использовали рентгеноструктурный анализ, чтобы показать, что ДНК образовали именно такую структуру, какую они и хотели. В свою очередь, так как кристаллы ДНК имели размер до пол-миллиметра (а это уже макро-объект), было гордо заявлено, что теперь из нано-объектов мы умеем собирать макро-объекты.
Вот стерео-картинка узла решетки, если умеете правильно скашивать глаза (это прямая стереопара), можете посмотреть в 3D (на нижней картинке с электронной плотностью ДНК четко видны два узла-«противотанковых ежа»):
Динамические структуры
Следующий шаг в конструировании трехмерных нано-объектов так же очевиден — а что если заставить это все как-то двигаться? Движущийся объект уже можно и нано-роботом назвать. Самый простенький ДНК-шагоход был сделан в 2008 году командой из Калифорнийского Технологического института. Работает он по достаточно простому принципу. Представьте себе одноцепочечную ДНК длиной, скажем, 100 нуклеотидов. Представьте другую одноцепочечную ДНК, короткую, длиной 50 нуклеотидов, комплементарную половине первой молекулы. Что будет, если их смешать? Правильно, они образуют двухцепочечную структуру в районе этих 50 нуклеотидов, вторая же половина первой молекулы останется свободной. А что если к этой структуре добавить еще одну молекулу ДНК, длиной 100 нуклеотидов и полностью комплементарной первой молекуле? Ответ вполне очевиден: она вытеснит короткую цепь длиной 50 нуклеотидов, так как обладает большим сродством к первой молекуле (у них сродство 100 из 100, а с короткой — только 50 из 100 нуклеотидов). Именно так и работал первый ДНК-шагоход. На подложке закреплены молекулы одноцепочечной ДНК, к ним из раствора приходит молекула-шагоход, имеющая комплементарные зоны к двум соседним цепям на подложке и связывается с ними. Если потом мы добавим в раствор другую ДНК, имеющую большее сродство к первой цепи на подложке, то она вытеснит одну ногу шагохода, после чего эта нога свяжется со следующей (третьей) цепью ДНК на подложке. Добавляя новые вытесняющие ДНК можно гнать шагоход все дальше и дальше по подложке. Обратный ход невозможен, так как предыдущие цепи на подложке уже инактивированы связыванием с более длинной молекулой ДНК.
Хотя первый шагоход выглядел настолько примитивно, конструкция была доработана учеными из Нью-Йорка. Они сделали более сложный шагоход с несколькими «руками» и «ногами», прицепили при помощи комплементарных ДНК на подложку «груз» (золотые частицы диаметром 5 и 10 нм) и «запрограммировали» шагоход таким образом, чтобы он прошел по подложке и собрал груз — три маленькие и одну большую золотые частицы. Последовательность шагов легко отследить по стрелочкам, а на экспериментальной картинке справа видны частицы золота и как шагоход их собирает. Нано-робот в действии! На нижней картинке показано, как именно происходит процесс «шагания» и сбора груза, принцип — тот же самый, вытеснение одной ДНК другой.
Но это еще не все. Венцом ДНК-робототехники (думаю, тут в моем голосе слышим некоторый сарказм) стал «наноробот для молекулярного транспорта», как окрестили его создатели из Бостона. Фактически ребята сделали некую «коробочку» из ДНК, закрывающуюся на «замок» из ДНК, который может быть открыт по уже известному нам принципу вытеснения одной ДНК другой, как в шагоходах. Внутри коробочки спрятан груз — частицы золота либо молекулы иммуноглобулина. ДНК можно химически модифицировать таким образом, чтобы на ней можно было закрепить этот самый груз. Итак, мы имеем закрытую коробочку, содержимое коробочки надежно спрятано. Тут мы добавляем молекулу, открывающую коробочку, она открывается и иммуноглобулин, спрятанный внутри, выходит наружу и начинает действовать! Мы же хлопаем в ладоши, умиляемся и радуемся прогрессу.
Ребята даже не поленились сделать демонстрацию proof of principle на живых раковых клетках: они прятали в коробочку антитела, блокирующие ключевые белки клеточного цикла, вводили коробочки в раковые клетки и после добавления открывающего коробочку активатора раковые клетки правда переставали делиться! Таким образом была показана принципиальная возможность использования таких конструкций для направленной доставки лекарств в организме и их выделения в нужное время по сигналу от молекулы-активатора. Одна осталась проблема, как раковую клетку от здоровой надежно отличить…
Для чего козе баян?
Все это, конечно, здорово и хорошо, картинки красивые, но внимательный читатель может спросить: «А где обещанная в самом начале польза для народного хозяйства?». Как и со всякой новой технологией, пока большой практической пользы действительно нет, помимо эстетического удовольствия от созерцания этой нано-красоты. Однако, все только начинается! Во-первых, ДНК может быть химически модифицирована, к ней могут быть добавлены химические группы, обеспечивающие связывание с другими молекулами и тогда ДНК можно использовать как подложку для построения сложных структур из других молекул. Например, сейчас все хотят что-то мастерить из нанотрубок. Если удастся сделать адаптер, связывающийся одним концом с ДНК, а другим — с нанотрубкой, тогда структуры из ДНК можно использовать для соединения нанотрубок. С другой стороны, уже есть сообщения о контролируемой металлизации ДНК, а отсюда уже рукой подать до конструирования электронных устройств на базе структур из металлизированной ДНК. Может быть, ученые изобретут более подходящий полимер, обеспечивающий более удобную самосборку сложных структур, но в любом случае ДНК-оригами займет свое место в истории науки, как один из первых примеров конструирования сложных объектов в нано-масштабе. Как бы то ни было, нас ждет большое и светлое будущее, чего и вам желаю!
PS: интересное дополнение от vxsw:
«Уже пару лет проводится конкурс BIOMOD по дизайну таких штук при поддержке Wyss Institute (замеченного во многих интересных биотехнологических достижениях вроде недавней 3D-печати мини-аккумуляторов).»
PPS: в личке спросили, почему ДНК, а не РНК. Ответ такой: я вижу две основные причины: (1) ДНК — химически более стабильна. Все живые организмы синтезируют огромное количества РНКаз, ферментов, уничтожающих РНК. Если Вы случайно залезете голым пальцем в пробирку с РНК, от РНК ничего не останется — все сожрут РНКазы. Поэтому с РНК работают в специальных помещениях и тд — мороки гораздо больше, чем при работе с ДНК. С ДНК таких проблем нет, палец в пробирку сунешь — ничего ДНК не будет. (2) Стоимость химического синтеза РНК в разы превышает стоимость синтеза ДНК. Думаю, поэтому народ и развлекается с ДНК — дешевле и проще.
habr.com
Как слепить молекулы из пластилина.
Многие школьники не любят химию и считают ее скучным предметом. Многим этот предмет дается с трудом. Но ее изучение может быть интересным и познавательным, если подойти к процессу творчески и показать все наглядно.
Предлагаем вам подробное руководство по лепке молекул из пластилина.
Перед изготовлением молекул нам нужно заранее определиться с тем, какие химические формулы будем использовать. В нашем случае это этан, этилен, метилен. Нам понадобятся: пластилин контрастных цветов (в нашем случае – красный и синий) и немного зеленого пластилина, спички (зубочистки).
1. Из красного пластилина скатываем 4 шарика диаметром около 2 см (атомы углерода). Затем из синего пластилина скатываем 8 шариков поменьше, диаметром около сантиметра (атомы водорода).
2. Берем 1 красный шарик и вставляем в него 4 спички (или зубочистки)так, как показано на рисунке.
3. Берем 4 синих шарика и надеваем их на свободные концы вставленных в красный шарик спичек. Получилась молекула природного газа.
4. Повторяем шаг №3 и получаем две молекулы для следующего химического вещества.
5. Сделанные молекулы нужно соединить между собой спичкой для того, чтобы получилась молекула этана.
6. Также можно создать молекулу с двойной связью — этилен. Для этого, из каждой молекулы, полученной при выполнении шага № 3 вынимаем по 1 спичке с надетым на нее синим шариком и соединяем детали между собой двумя спичками.
7. Берем красный шарик и 2 синих и соединяем их между собой двумя спичками так, чтобы получилась цепочка: синий – 2 спички – красный – 2 спички – синий. У нас получилась еще одна молекула с двойной связью – метилен.
8. Берем оставшиеся шарики: красный и 2 синих и соединяем их спичками между собой как показано на рисунке. Затем скатываем из зеленого пластилина 2 маленьких шарика и прикрепляем к нашей молекуле. У нас получилась молекула с двумя отрицательно заряженными электронами.
Изучение химии станет интереснее, а у вашего ребенка появится интерес к предмету.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
moy-karapuzik.ru