ДНК как компонент наноструктур

С открытием двойной спиральной структуры молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) наступила эра торжества генетики. Затем генетика свелась к химии, открыв новые возможности в биологии, генной инженерии. Это был XX в.

В XXI в., когда биотехнологи и генные инженеры научились создавать длинные молекулы ДНК, когда зазвучали идеи нанотехнологии, ДНК становится перспективным конструкционным и функциональным материалом наноэлектроники.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты представляют собой нуклеиновые кислоты, содержащие в качестве углеводного компонента дезоксирибозу, а в качестве азотных оснований аденин (А), гуанин (G), цитозин © и тимин (Т). ДНК присутствует в клетках любого организма, а также входит в состав многих вирусов. Последовательность нуклеотидов в каждой ДНК строго индивидуальна и специфична для каждого индивидуума. Содержание нуклеотидов в ДНК подчиняется закону, в соответствии с которым количество, А = Т, а количество G = С.

Оптимальная форма ДНК представляет собой двойную спираль, правозакрученную вдоль общей оси. Шаг спирали 3,4 нм, диаметр спирали 2,0 нм (рис. 2.31). На одном витке находится 10 нуклеотидов, расположенных антипараллельно на расстоянии 1,8 нм. Фосфатные группы располагаются на внешней стороне спирали, а азотные основания — внутри двойной спирали так, что плоскости перпендикулярны оси молекулы. Это ДНК В-тина.

В особых условиях ДНК может образовывать двойную левостороннюю спираль, называемую Z-ДНК.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты являются прекрасным «строительным» материалом для наноконструкций. Дело в том, что цепочки ДНК взаимодействуют предсказуемым и легко программируемым образом. В настоящее время ДНК научились синтезировать средствами биотехнологии.

Сахар

Рис. 2.31. Модель двойной спирали ДНК:

сахаро-фосфатная основа цепи, расположение нуклеотидов (С, Т, G, А) и четыре способа связывания основ нуклеотидов (внизу) Используя ферменты расщепления, ДНК можно в необходимом месте расколоть, потому что каждый нуклеотид в спирали имеет участки, в которые могут быть встроены другие молекулы. Такой прием позволяет сделать нужные ответвления ДНК.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты могут принимать формы, отличные от двойной спирали. На основе ДНК можно строить трехмерные структуры (рис. 2.32).

Па рис. 2.33 представлен куб, построенный на основе ДНК. Каждое ребро содержит 20 пар нуклеотидов. Это соответствует двум полным оборотам двойной спирали. Каждый угол такой конструкции представляет собой узел с тремя ветвями.

На схеме (рис. 2.33, а) видно, как связаны цепи ДНК, но спиральное закручивание опущено.

Задача создания нанотехнологических устройств на основе ДНК практически сводится к репликации определенных трехмерных конструкций. Это будет возможно только при отлаженной технологии самосборки. ДНКструктуры в этом плане наиболее перспективны прежде всего потому, что они являются программируемыми. Биотехнологи внедрили пептиды, обладающие селективным сродством к полупроводникам ZnS, CdS, магнитным сплавам FePt, CoPt, в генетические наборы вируса М13.

В то же время вполне успешной может стать стыковка ДНК с металлическими наночастицами, углеродными нанотрубками. В этом плане весьма перспективным является способность вирусов к репликации. Данный ви;

Рис. 2.32. Схема структур оснований нуклеотидов:

вертикальные стрелки указывают на точки прикрепления к дезоксирибозе, горизонтальные стрелки — на комплиментарные пары аминокислот.

Рис. 2.33. Формирование куба из шести петель ДНК:

а — схема куба; б — трехмерная модель рус способен продуцировать образования неопределенной длины. Генетически модифицированные вирусы, размножаясь, способны строить оболочки из наночастиц полупроводниковых или магнитных материалов.

Последующий отжиг превращал эти минерализованные скелеты в соответствующие нанопроволоки. Исследования методом электронной дифракции и сканирующей электронной микроскопии показали высокую степень кристалличности полученных нанопроволок (рис. 2.34).

Нанопроволоки из магнитных материалов оказались устойчивыми к окислению и обладают высокой коэрцитивной силой. Такие нанопроволоки, например, пригодны для магнитной записи.

Особый интерес вызывают биочипы, представляющие собой организованное размещение молекул ДНК на платформе из стекла или кремния. Для получения биочипов используются технологические процессы микро;

Рис. 2.34. Нанопроволока, сформированная на основе вирусов М13:

Л — электронограмма, свидетельствующая о кристалличности структуры ианопроволок электроники, например фотолитография с использованием определенных масок. На небольшой площади пластины организованно размещается большое количество фрагментов различных молекул ДНК длиной в десятки нуклеотидов. Считывание информации осуществляется с помощью флуоресцентного микроскопа или лазерного считывателя. Биочип гибридизируют с молекулами ДНК, меченными красителями. После процесса гибридизации на биочипе возникают специфические узоры (паттерны).

Если ведутся, например, исследования раковых клеток, то узоры здоровых и раковых клеток сильно различаются при различных видах лейкозов. По виду паттернов с большой вероятностью предсказывают течение болезни на ранней стадии.

Биочипы можно изготовить с помощью белков по специальной технологии. Наука создания белковых микрочипов получила название «протеомика».

В настоящее время идут интенсивные исследования в области формирования различных типов биочипов. Особое внимание уделяется созданию различного типа сенсорных систем, позволяющих оперативно распознавать патогенные микробы, но фрагментам ДНК. Считается, что биочипы будут составлять основу биомедицины XXI в.