Двуногие молекулы шагают по планете

Группа ученых из Калифорнийского технологического института, руководимая Найлзом Пирсом, смогла создать молекулу-сборщика на основе ДНК. Используя принцип комплементарности, ученые создали систему, благодаря которой научились придавать определенному участку ДНК специфическую форму и снабжать функцией, а затем запускать программу выполнения новых функций ДНК. Исследователи создали таким образом несколько конструкций, наиболее яркой из которых стал молекулярный двуногий робот, прогуливающийся вдоль подложки из ДНК.

Более того, инженерный подход позволил ученым перейти от биохимических реакций к настоящему программированию ДНК, заставляя систему, состоящую из одних и тех же химических компонентов, выполнять различные задачи.

По мнению самого Пирса, его работа носит принципиальный характер как в техническом, так и в идеологическом плане молекулярного роботостроения, являясь первым в истории и наиболее низким по уровню языком программирования реакций биополимеров, ДНК-ассемблером.

Дальнейшие работы в этой области, по его словам, могут привести к тем же последствиям, которые мы сейчас имеем в мире языков компьютерного программирования. Биологические системы можно будет программировать на различном уровне сложности, создавая все более сложные системы. Это гораздо больше, чем просто создание структур, способных на саморепликацию, направленные перемещения или механические действия.

Основным элементом программируемого молекулярного конструктора научной группы Пирса стали короткие участки ДНК длиной 10 нм. Каждая из этих «шпилек» имела три специфических участка, названных «зацепками».

Благодаря этим «зацепкам» шпильки ДНК могли соединяться друг с другом специфическим образом. Когда шпилька находится в закрытом состоянии, два из трех её зацепов недоступны для соседних молекул. Однако при соединении с помощью третьего зацепа со специфической цепочкой ДНК исходная шпилька распрямляется и открывает доступ к двум своим зацепам. Аналогичным образом происходит и закрытие одной из спиралей ДНК при реакции с другой.

Говоря компьютерными терминами, короткие фрагменты ДНК функционируют подобно связанным логическим вентилям, хотя и довольно необычным.

Каждая элементарная единица такого массива имеет два порта вывода информации и один порт ввода, и эти порты могут обмениваться информацией между собой.

Для того чтобы отслеживать состояние системы, а также контролировать пошаговый процесс молекулярной сборки, учеными был создан специальный графический интерфейс. Благодаря этой программе ученые смогли работать с молекулярными фрагментами, как с конструктором, программируя этапы сборки и разборки систем, не задумываясь о химической природе рабочего материала.

Запрограммированный ход формирования молекулярной системы преобразуется в последовательность комплементарных фрагментов ДНК, имеющихся в наборе конструктора. В конечном счете, программа запускает процесс, поочередно вводя в реакционную трубку те или иные фрагменты ДНК.

Наиболее ярким примером, демонстрирующим универсальность и потенциал методики, является создание примитивного двуногого робота, шагающего по подложке, на которой каждый новый его шаг отмечен специфическим отрезком ДНК.

В своей публикации, вышедшей в последнем номере Nature, Пирс и его команда демонстрируют еще несколько примеров построения конструкций из ДНК, которые потенциально пригодны для применения в качестве молекулярных детекторов.

Идею создания шагающего ДНК-робота Пирс почерпнул из транспортной системы живых организмов, где белок кинезин передвигается схожим образом по микрокапиллярам со скоростью 100 шагов в секунду. Впрочем, целью работы было все же не создание молекулярных роботов и структур, а выработка своего языка программирования и отработка процессов работы с молекулярным конструктором.

Пирс признает, что его работа – это всего лишь маленький первый шажок навстречу программируемой сборке молекулярных систем. Однако его оппоненты, прежде смеявшиеся над затеей программируемой сборки из ДНК, теперь уже не задаются вопросом «Может ли это быть осуществлено?», но чешут затылки в попытке осознать, как далеко можно продвинуться по этому пути.

Один из коллег Пирса, Эрик Уинфри, не задействованный в работе, с признанием отмечает, что базовые принципы, заложенные Пирсом на сегодняшний день, могут помочь программировать очень широкий круг реакций с применением других элементов конструктора, таких как РНК и белки. Чем все закончится, не знает пока никто.