Switchback DNA состоит из структурных секций, называемых «полуоборотами», которые напоминают обычную ДНК, но расположены по-другому. Эта диаграмма демонстрирует эти структурные различия, которые придают switchback DNA уникальную способность к сворачиванию, а также другие отличительные свойства. Источник: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50348-3
Открывая новые способы манипулирования материей на атомном и молекулярном уровнях, достижения в области нанотехнологий прокладывают путь для инноваций в медицине, электронике, материаловедении и восстановлении окружающей среды, а также во многих других областях.
Важной специальностью в этой области и знаковым направлением исследований Института РНК Университета Олбани является ДНК-нанотехнология, в которой пары оснований, из которых состоят молекулы ДНК, подвергаются манипуляциям для создания крошечных структур различной формы, которые могут использоваться в таких областях, как доставка лекарств, медицинская диагностика и даже хранение данных.
Исследователи Института РНК, включая постдокторанта Бхарата Раджа Мадханагопала и старшего научного сотрудника Аруна Ричарда Чандрасекарана, совместно с группой сотрудников UAlbany стали соавторами нового исследования, в котором изучались уникальные свойства определенного вида ДНК-наноструктуры, называемой «переключаемая ДНК», которая может иметь значение для сворачивания ДНК в природе и быть полезной при разработке новых типов наноструктур с биомедицинскими приложениями.
Их выводы были опубликованы в Nature Communications.
Здесь Мадханагопал и Чандрасекаран делятся своими идеями об основах своей области и достижениях, которые ждут нас с новыми открытиями в области ДНК-нанотехнологии.
Что такое ДНК-наноструктуры и почему они важны?
Многие знают ДНК как молекулу, которая хранит генетическую информацию, передаваемую из поколения в поколение. Химические свойства ДНК, которые делают ее превосходной молекулой для хранения генетической информации, также делают ее полезным строительным материалом, особенно когда речь идет о создании крошечных объектов, размером всего в несколько нанометров.
Последовательности четырех азотистых оснований в ДНК — аденина, гуанина, тимина и цитозина — по своей сути программируемы. Это происходит потому, что аденин всегда образует пару с тимином, а гуанин — с цитозином. Эти надежные шаблоны в спаривании оснований позволяют нам проектировать определенные нити ДНК, которые связываются вместе, как блоки Lego, образуя наноструктуры.
Используя ДНК для создания наноструктур, мы можем достичь превосходной точности в размерах структур. Мы также можем создавать объекты разнообразных форм и архитектурных сложностей — возможностей, которые нелегко достичь с помощью других технологий. Наноструктуры ДНК в настоящее время разрабатываются для использования в доставке лекарств, диагностике и хранении данных, и это лишь некоторые из приложений.
Что такое «переключаемая ДНК»?
Так же, как мы используем кирпичи для строительства зданий, мы используем нанометровые строительные блоки, называемые «мотивами» и «плитками», сделанные из ДНК, для создания сложных структур в ДНК-нанотехнологии. Подобно тому, как кирпичи могут иметь разные формы и размеры, так же могут быть мотивы и плитки. Создание этих структурных мотивов и понимание их свойств является основой исследований ДНК-нанотехнологии.
«Switchback DNA» — один из самых ранних мотивов ДНК, разработанных Надрианом Симаном, основателем области ДНК-нанотехнологий. Мы хотели изучить, как его любопытные структурные особенности проявятся в наноструктурах. Изучая свойства switchback DNA, мы считаем, что можем создавать еще более разнообразные нанообъекты на основе ДНК с экзотическими свойствами.
Что делает switchback DNA уникальной?
Switchback DNA имеет только две нити, поэтому ее можно напрямую сравнить с двойной спиральной структурой ДНК, с которой все знакомы. В switchback DNA две нити имеют секции, называемые полувитками, которые напоминают обычную ДНК, но то, как они организованы, делает switchback DNA уникальной.
Обычно ДНК представляет собой двойную спираль с правым направлением спирали по всей молекуле. В switchback DNA правые полувитки организованы таким образом, что молекула в целом представляет собой левую двойную спираль. Это происходит потому, что если вы проследите остов ДНК вдоль спирали, вы обнаружите, что после каждого полувитка нити складываются обратно. Эти различия проиллюстрированы на схеме ниже.
Мы обнаружили, что уникальная структура switchback DNA может влиять на свойства, важные для ее потенциальной роли в биомедицинских приложениях, такие как структурная стабильность, уязвимость к ферментам и иммуногенные свойства, которые, например, могут влиять на способность наноструктуры эффективно доставлять лекарство в определенную ткань. Понимание этих свойств и выяснение того, какие из них можно контролировать и как их контролировать, имеет решающее значение.
Что может получить эта область, лучше понимая switchback DNA?
Результаты этого исследования помогут исследователям, которые создают ДНК-наноструктуры, улучшить свои конструкции с использованием строительных блоков обратных ДНК.
Например, теперь мы знаем, что распространенный фермент под названием «ДНКаза I» не разрушает обратную ДНК так быстро, как он разрушает обычную B-ДНК (ДНК, которая обычно встречается в живых организмах). Если мы хотим использовать ДНК-наноструктуры для переноса лекарств в ткани организма, мы не хотим, чтобы фермент разрушал наноструктуру до того, как она достигнет целевой ткани.
Если бы это произошло, препарат не был бы эффективным. Теперь мы можем рассмотреть возможность включения обратных ДНК, чтобы помочь смягчить эту проблему, которая является обычным препятствием в этой области.
Мы также обнаружили, что в геноме человека есть генетические последовательности, которые потенциально могут складываться в обратную ДНК. Наши результаты показывают, что при некоторых условиях ДНК с определенными повторяющимися паттернами может образовывать обратную ДНК. Эти последовательности распространены в хромосомах животных и растений и могут принимать структурные формы, о которых мы знаем очень мало.
Захватывающе знать, что эти последовательности могут складываться в обратную ДНК в пробирке при определенных условиях. Может ли это произойти в живой клетке, еще предстоит выяснить.
Поскольку эти повторяющиеся последовательности участвуют в таких заболеваниях, как миотоническая дистрофия и болезнь Хантингтона, это направление исследований может помочь нам лучше понять этот класс заболеваний, а также может помочь нам обнаружить новые лекарственные мишени для этих заболеваний в будущем.
Каковы самые важные выводы из этой работы?
Наша работа с обратными ДНК показывает, что мы можем «настраивать» свойства ДНК, складывая ее в различные узоры без химических модификаций. Понимание свойств обратных ДНК будет полезно при создании ДНК-устройств для биосенсоров, доставки лекарств, вычислений ДНК и других приложений.
Наши результаты также показывают, что правила комплементарности, которые Уотсон и Крик определили в своей знаковой модели двойной спирали структуры ДНК, необходимо расширить. В модели, предложенной Уотсоном и Криком, направления двух нитей противоположны. Это означает, что один конец первой нити взаимодействует с противоположным концом второй нити.
В ДНК-переключении схема спаривания оснований иная. Хотя большинство правил комплементарности, определенных Уотсоном и Криком, применимы к ДНК-переключению, положение пар оснований отличается.
Наконец, наша гипотеза о том, что повторяющиеся последовательности могут образовывать структуры ДНК-переключения, открывает интересные дискуссии — и будущие исследования — о биологическом возникновении таких нетрадиционных структур ДНК.
Дополнительная информация: Бхарат Радж Мадханагопал и др., Необычные структурные свойства и потенциальная биологическая значимость ДНК-переключения, Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-50348-3
Информация о журнале: Nature Communications
Предоставлено Университетом Олбани
