Новости

Российские учёные разработали алгоритм-руководство для ДНК-оригами

Сотрудники факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ имени М.В.Ломоносова совместно с коллегами из нескольких российских научных институтов и Пенсильванского университета предложили алгоритм компьютерного моделирования сложенных из ДНК трёхмерных конструкций. Такие нанороботы могут использоваться в электронике и медицине, например, для доставки лекарств.
Технология ДНК-оригами позволяет создавать из цепочек ДНК различные конструкции, в том числе трёхмерные и управляемые. Это возможно благодаря тому, что длинные ДНК-молекулы состоят из нуклеотидов, образующих пары: аденин с тимином, цитозин с гуанином. Задавая последовательность нуклеотидов в цепочке, можно добиться того, что она будет складываться и скрепляться в нужных местах и под нужным углом. Например, по такой схеме недавно был сконструирован первый наноробот из нитей ДНК. 

"Нарисовать проект сложных конструкций ДНК-оригами, особенно объёмных и динамических, например, коробочек для доставки лекарств, которые будут открываться и закрываться, очень сложно, потому что программа для создания таких проектов предполагает, что вы там рисуете двумерные развёртки. Если проект сложный, очень легко где-то что-то напутать и сгенерировать такой проект, который просто не соберётся", — объяснил аспирант факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ Артур Залевский.

Расчёты, которые требуются для создания работающего проекта, довольно масштабные. Их осложняет то, что необходимо учитывать движение большого количества (порядка миллиона) частиц и рассчитывать их попарные взаимодействия. Поэтому учёные используют упрощённую версию алгоритма, в которой группы атомов объединяются в условные частицы и описываются как единое целое, что позволяет многократно сократить размеры систем. Для разработки программы учёные использовали мощности суперкомпьютера МГУ "Ломоносов-2".

Алгоритм показывает, сможет ли созданная по проекту конструкция в принципе свернуться и как она будет двигаться, раскрываться и закрываться. Его преимущество перед аналогичными сервисами заключается в том, что он учитывает все виды взаимодействий между частицами, лучше и полнее описывает движения элементов конструкции, показывает их более естественными.

"Учёный загружает туда файл проекта, содержащий двумерное описание системы, а на выходе получает полноценную трёхмерную анимированную структуру, на которой он может посмотреть, как эта система двигается", — добавил Артур Залевский.

Чтобы оценить точность алгоритма, исследователи провели серию экспериментов, рассмотрев положение и форму молекул с помощью атомно-силового микроскопа. Авторы работы сравнивали распределения конфигураций, выданные алгоритмом и полученные в ходе экспериментов. По их словам, во время этой проверки алгоритм доказал свою эффективность.
Одно из возможных приложений технологии ДНК-оригами — использование конструкций в качестве контейнеров, которые могут адресно доставлять и высвобождать лекарственные средства. Например, с помощью таких нанороботов можно растворить тромб, не разжижая кровь во всём организме, или направить лекарства точно к клеткам раковой опухоли. Такое точечное воздействие позволяет снизить дозы лекарств и смягчить побочные эффекты. Кроме того, объекты из ДНК могут захватывать отдельные молекулы, благодаря чему можно изучать взаимодействия частиц на уровне молекул.
Статья с результатами работы учёных опубликована в журнале Nucleic Acids Research. Исследование проходило в рамках направления "Биологическая информация" проекта "Ноев Ковчег" при поддержке Российского научного фонда.
Напомним, что ранее учёные сложили из ДНК-оригами самую маленькую в мире копию "Моны Лизы". 
Читайте также
Испытатель российской вакцины заразился коронавирусом. Препарат не работает?
Испытатель российской вакцины заразился коронавирусом. Препарат не работает?
Большинство считает, что вакцина обязана предотвращать заражение. Но это не так.
Как поймать темную материю
Как поймать темную материю
Темная материя есть даже в вашей комнате, но как ее поймать?
Венера — наша историческая родина?
Венера — наша историческая родина?
Благодаря находке фосфина в облаках Венеры, астрофизики обрели веру в возможность обнаружения внеземной жизни.