Что общего у лекарства от рака и искусства оригами? Дезоксирибонуклеиновая кислота. Технология создания ДНК-оригами возникла 7 лет назад. Сегодня она обещает человечеству новые способы борьбы с онкологическими заболеваниями и компьютерные схемы размером с молекулу. «Теории и практики» рассказывают о новом методе.

Одиночная нить ДНК — одна из самых сложных и одновременно самых простых вещей в мире. Она состоит из сахаро-фосфатного стержня, где к каждому сахару прикреплено одно из четырех азотистых оснований: аденин, тимин, цитозин или гуанин. Аденин может связываться с тимином, гуанин — с цитозином. Но никогда — наоборот. Если последовательность оснований комплементарна, две нити ДНК «слипаются» в двойную спираль. Так рождается материал, способный кодировать геном.

Но что же случается, если последовательность оснований не совпадает, и нити не могут соединиться? Генетики называют то, что возникает в этом случае, «шпилькой», или «стеблем-петлей». Такая структура довольно устойчива, но может раскрыться и стать частью обыкновенной двойной спирали, если рядом окажется более подходящий фрагмент ДНК.

Гибкость одиночных нитей дезоксирибонуклеиновой кислоты натолкнула ученых на революционную идею. В 2006 году молодой кандидат наук Калифорнийского технологического института Пол Ротмунд собрал из ДНК двухмерные объекты необычной формы: смайлики, звезды, пирамидки и даже миниатюрную карту Западного полушария. Свое изобретение Ротмунд назвал «ДНК-оригами» и высказал надежду, что в будущем эта техника позволит человеку создать механизм генетического программирования.

Метод, изобретенный калифорнийским ученым, выглядел изящно и просто, как это нередко бывает в генетике: Ротмунд синтезировал невероятно длинные нити ДНК и затем «сгибал» их с помощью ниточек покороче — «скрепок», которые соединялись с основой. Правда, делал это ученый отнюдь не с помощью нанопинцета. Чтобы собрать свои оригами, Ротмунд занимался отжигом: готовые фрагменты он помещал в водный раствор, нагревал его до температуры плавления ДНК (порядка 94-98°С), когда водородные связи распадаются и двойные спирали превращаются в отдельные нити, а затем в течение многих часов и даже дней остужал получившийся «бульон». В результате порядка 70% молекул принимали нужную форму, — ведь благодаря правилу комплементарности одиночная нить ДНК способна сама найти свою «сестру» среди множества менее подходящих фрагментов.

Открытие Ротмунда наделало много шуму. Однако всего через два года после судьбоносного отжига в Калифорнийском технологическом институте произошло еще одно знаменательное событие: команде ученых удалось заставить ДНК-структуру передвигаться. Миниатюрного «робота», по виду напоминавшего табуретку, специалисты поместили на подложку с одиночными нитями ДНК — своеобразными «маяками». Перед каждым шагом ученые подсаживали в раствор дополнительную ниточку, более комплементарную «маякам», чем «ножки» «робота». В результате, «ножка» вытеснялась, и структура двигалась вперед.

С тех пор в мире появилось несколько вариантов ДНК-оригами: трехмерные «соты», 3D-блоки с контролируемым углом наклона, наношестеренки, миниатюрные кристаллы, способные образовать кристаллическую решетку, а также «ДНК-робот» нового поколения, которому удалось не просто пройти по «маякам», но и собрать крупинки золота, заботливо разложенные на его пути. Все эти изобретения были очень красивы, но вовсе не являлись пустой тратой времени. У разработчиков ДНК-оригами существовали практические цели: например, создать «транспорт» для токсичных противораковых лекарств. Такое изобретение позволило бы доставлять активные вещества в опухоль без вреда для здоровых тканей, уменьшить тяжесть и частоту побочных эффектов лечения и даже снизить уровень смертности среди больных.

Один из первых шагов в этом направлении был сделан в 2011 году в Бостоне. Ученым удалось собрать из ДНК-оригами коробочку с крышкой и закрепить у нее внутри антитела, способные блокировать ключевые белки клеточного цикла раковых клеток. Когда капсула достигла своей цели, специалисты отправили к ней нить-активатор. Она открыла коробочку по тому же принципу, что и в ходе экспериментов с «роботом»: вытеснив фрагменты «замка». Опыт проводился in vitro, и вскоре после него возник вопрос: даже если капсулы способны доставить препарат к месту назначения, как они «отличат» больные клетки от здоровых, чтобы раскрыться вовремя?

К ответу удалось вплотную приблизиться шведским ученым из Каролинкского университета. Они сделали ДНК-оригами с поверхностью, модифицированной для выборочного взаимодействия с раковыми клетками, — а если точнее, с белками, которые есть только в них. Внутрь капсул, на этот раз по форме напоминавших морские звезды, специалисты поместили молекулы доксорубицина — токсичного препарата, который хорошо помогает справиться со злокачественной опухолью, но может остановить работу сердца. Ученые использовали «недокрученные» двойные спирали ДНК, что позволило им замедлить выход препарата безо всяких «замков».

У ДНК-оригами существует и другой потенциал. Недавно специалисты из Мюнхенского университета и Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена создали нанопровод из металлизированной ДНК. Они использовали два типа нитей с разными свойствами: в одних были компоненты, которые способствовали агрегации частичек серебра и склеиванию молекул друг с другом, другие провоцировали клик-реакцию — так называемое азид-алкиновое циклоприсоединение, в ходе которого ДНК приклеивалась к кремниевой подложке. В растворе также были частички золота, которые осаждались на серебро на втором этапе реакции.

В ходе опыта у немецких ученых получился крошечный, но стабильный провод длиной всего 1 микрометр (для сравнения, толщина человеческого волоса составляет 80-100 микрометров). Специалисты надеются, что в будущем эта технология позволит создавать нанотранзисторы и электронные наносхемы. Эти предметы будут меньше всего, что мы сегодня способны произвести, и позволят совершить настоящую нанореволюцию.