DNA折り紙：DNAから興味深いナノメートルサイズのものを作成する方法

最近、非常に悲しい事実を発見しました。DNA折り紙のような面白いトピックは、Habréではまったく取り上げられていませんでした。 2009年に投稿は1つだけで、DNA（はい、私たちの遺伝情報を運ぶ同じデオキシリボ核酸 ）から、あらゆる種類のトリッキーで平らな3次元のナノメートルサイズのピースを作成する方法についての面白い話の始まりにすぎません。 それと同じナノテクノロジー。 このレビューでは、DNAオリガミの開発についてお話します：DNAからの2次元の絵文字、3次元の図形、プログラムされた構造を持つDNAからの結晶、蓋付きのDNA「箱」、必要な物質の分子を運び、蓋を開ける信号の後にそれらを放出できる、最後に、基板上を歩くDNAウォーカーなどの動的構造（作成者は誇らしげに、これはナノロボットだと言っています！）。 なぜこのすべてが必要なのか、DNAから美しいナノメートルサイズのピースを作成する技術について、または単に美しい写真を見るために、猫にようこそ。


これがDNAナノロボットの外観です

理論のビット

20世紀の終わりから21世紀の初めに、ナノメートルサイズのオブジェクトを設計するという疑問が生じました。 何のために？ 小型化の一般的なベクトルは長い間存在しており、歴史的には常に「トップダウン」運動でした-たとえば、70年代、超小型回路を製造するとき、最小制御サイズは2-8ミクロンでしたが、この値は急速に減少し、現在では大量生産のチップがあります22 nmプロセスで作成。 次に、考えている人々の間で疑問が生じました。「ボトムアップ」で動くことは可能ですか？ 原子と分子を強制的に必要な構造に組み立て、それらの構造をテクノロジーで使用することは可能ですか？ このような「自己組織化」システムの要件は明らかです。システムの材料はかなり安価で手頃な価格である必要があり、システムの複雑な空間構造の自己組織化は「プログラム」に簡単で明白である必要があり、システムは有用な機能を実行できる必要があります。 彼らは自然に、そのような自己組織化システムがすでに存在し、完全に機能していることをすぐに思い出しました-これらはすべての生物の巨大分子、例えばタンパク質です。 ここで最初の失望があります-タンパク質は複雑すぎます、その三次元構造は多数の非共有相互作用によって完全に非自明な方法で与えられ、任意の構造を持つタンパク質を得ることは依然として絶対に重要で解決不可能な問題です。 つまり、タンパク質を使用して必要なナノサイズのオブジェクトを構築することは技術的に不可能です。 どうする？ 他の高分子があり、その構造はタンパク質の構造よりもはるかに単純であることがわかります。

1953年、ワトソンとクリックはDNA構造のモデルを公開しましたが、これは完全に正しいことが判明しました。 DNA（デオキシリボ核酸）は興味深い構造の線状ポリマーです。 1本のDNA鎖は単調に繰り返される糖リン酸骨格で構成され（非対称で方向があり、鎖の5 'および3'末端が区別されます）、4つのヌクレオチドの1つが各糖に結合します（DNAの場合はデオキシリボース）（ヌクレオチドの同義語は「塩基"）-アデニン、またはチミン、またはシトシン、またはグアニン。 通常、A、T、C、Gの1文字で表されます。したがって、DNAの構造をより単純にするタンパク質の20アミノ酸とは異なり、DNAには4種類のモノマーしかありません。 それからさらに楽しくなります-いわゆる「ワトソン-クリコバ塩基対」があります：アデニンはチミンに、グアニンはシトシンに特異的に結合でき、ペアA-TとG-C（そしてもちろんT-AとC-Gも形成します） ）、単純化された場合のヌクレオチド間の他の相互作用は不可能と見なすことができます（まれな条件下では例外として可能ですが、私たちにとってこれは重要ではありません）。 Watson-Crickの塩基対は相補性とも呼ばれます。



その塩基配列が相補的な2つのDNA鎖は、すぐに「互いにくっついて」二重らせんになります。 回答：DNA鎖は曲がることができ、相補的な領域は二重らせんを形成することができます。この曲がりと一緒に、この構造は「ヘアピン」と呼ばれます。


2本の相補的DNA鎖（または同様に、同じ鎖の2本の相補的部分）の「接着」の根拠は何ですか？ この相互作用は水素結合に基づいています。 ATペアは2つの水素結合で接続され、G – Cペアは3つで接続されているため、このペアはよりエネルギー的に安定しています。 水素結合については、次のことを理解する必要があります：1つの水素結合のエネルギー（5 kcal / mol）は熱運動のエネルギーを大きく超えないため、1つの水素結合は熱運動によって高い確率で破壊されます。 ただし、水素結合が多いほど、システムはより安定します。 つまり、相補的なDNA塩基の短いセクションは安定した二重らせんを形成できず、簡単に「溶け」ますが、長い相補的なセクションはすでに安定した構造を形成できます。 二本鎖構造の安定性は、1つのパラメーター-融解温度（Tm、融解温度）で表されます。 定義により、融点は、所定の長さおよびヌクレオチド配列を有するDNA分子の50％が二本鎖状態にあり、他の50％が融解した一本鎖状態にある温度です。 明らかに、融解温度は相補領域の長さに直接依存し（融解温度が高いほど長い）、ヌクレオチド組成（G – Cペアには3つの水素結合があり、ATペアには2つの水素結合があるため、Gペアが多い-C、融点が高いほど）。 特定のDNAシーケンスの融点は、 経験的に導出された式を使用して簡単に計算されます。

理論から実践へ

だから、私たちは理論を研究しました。 実際には何ができますか？ 化学合成を使用すると、最大120ヌクレオチド長のDNA鎖を直接合成できます（製品の収率が急激に低下します）。 より長い鎖が必要な場合、長さ120ヌクレオチドまでの化学合成された断片から簡単に組み立てることができます（たとえば、Uncle Craig Venterは、108万塩基対のDNA片を収集することを区別しました）。 つまり、21世紀には、必要な任意の配列のDNAを簡単かつ安価に作成できます。 そして、DNAをあらゆる種類のトリッキーで複雑な構造に折りたたんで使用できるようにしたいと考えています。 このために、相補性の原理があります-DNA配列に相補的なゾーンが現れるとすぐに、それらは互いにくっついて二本鎖領域を形成します。 明らかに、室温で構造を安定させたいので、これらの領域の融解温度を計算し、それを十分に大きくしたいと思います。 さらに、1つのDNA鎖上で、異なる配列を持つ多くの異なる領域を作成でき、相補的なもののみが結合します。 その結果、いくつかの相補的な領域が存在する可能性があるため、分子はかなり複雑な方法で凝固する可能性があります！ このようなもの、例えば：



また、ポジティブデザイン（必要な構造を形成できる領域を作成する）に加えて、自己組織化で構造を設計する場合、ネガティブデザインを忘れないでください-生じたDNA配列を調べて、偽の相互作用の潜在的な存在を確認する必要があります（作成した領域の一部が相互作用できる場合）別のものに、私たちにとって不要な寄生構造を形成します）、DNAのヌクレオチド配列を変更することにより、これらの寄生構造と相互作用を取り除きます。 最も単純なヘアピンDNA構造を取得する方法はかなり明白ですが、退屈で面白くないです。 DNAからもっと複雑なものを作ることは可能ですか？ ここでは、コンピューターコンピューティングなしではできません。 特定の構造が必要であり、相補領域の相互作用のためにこの構造に折りたたまれるDNA配列を選択する必要がありますが、同時に、代替構造を形成する相補領域によって提供されない寄生相互作用が配列に存在しないようにする必要があります。 さらに、構造は他の基準を満たす必要があります。たとえば、特定の設定値を超える融点を持っている必要があります。 結果として、典型的な最適化の問題があります。

二次元DNA構造

方法論的なブレークスルーは、2006年にPaul Rothemund（カリフォルニア工科大学）によって行われ、「DNAオリガミ」という用語を生み出したのは彼でした。 Natureの記事で、彼はDNAでできた多くの楽しい2次元オブジェクトを紹介しました。 彼が提案した原理は非常に単純です：長い（約7000ヌクレオチド）「支持」一本鎖DNA分子を取り、次に何百もの短いDNAクリップを使用して、支持分子で二本鎖領域を形成し、必要な二次元構造に支持DNAを曲げます。 これは、開発のすべての段階を表す元の記事の写真です。 まず、（a）必要な形状を赤で描画し、そのDNAを埋める方法を考えます（この段階でパイプの形で想像してください）。 次に（b）1つの長いサポート分子を必要な形状（黒い線で示す）で描画する方法を示します。 第3段階（c）では、長いサポートチェーンの敷設を安定させる「クリップ」をどこに配置するかを検討します。 4番目のステップ（d）：詳細、必要なすべてのDNA構造がどのように見えるか疑問に思います。最後に、（e）必要な構造の図があります。目的の配列のDNAを注文できます。



化学合成されたDNAから必要な構造を組み立てる方法は？ ここで融解プロセスが助けになります。 水溶液の入った試験管にすべてのDNA断片を入れて、94〜98℃に加熱します。この温度で、すべてのDNAが融解することが保証されています（一本鎖に変換されます）。 その後、非常にゆっくり（数時間、いくつかの作業では数日間）チューブを室温まで冷却します（この手順はアニーリングと呼ばれます）。 このゆっくりとした冷却により、温度が十分に低くなると、必要な二本鎖構造が徐々に形成されます。 各実験の元の研究では、分子の約70％が目的の構造にうまく組み立てられ、残りは欠陥がありました。

さらに、構造が計算された後、必要に応じて正確に進行していることを証明できればうれしいです。 このために、分子の一般的な形状を完全に示す原子間力顕微鏡法が最もよく使用されますが、時々クライオEM（電子顕微鏡法）も使用されます。 著者はDNAから多くの楽しいフォームを作成しました。写真は、計算された構造と原子間力顕微鏡を使用した構造の実験的決定の結果を示しています。 お楽しみください！

3D DNA構造

複雑な平面オブジェクトの構築を理解した後、3次元に移動してみませんか？ ここで、先駆者はカリフォルニア州ラホールのスクリップス研究所のグループで、2004年にDNAからナノ八面体を作る方法を見つけました。 この作業はフラットなDNA折り紙よりも2年早く行われましたが、その時点で特定のケースのみが解決され（DNAから八面体を取得）、一般的な解決策がDNA折り紙の作業で提案されました。基本的と見なされます。

八面体は、約1,700ヌクレオチドの長さの1本鎖DNA分子から作られており、相補的な領域を持ち、5つの40ヌクレオチドDNAアダプターによって結合され、直径22ナノメートルの八面体になりました。
図では、八面体の2次元スキャンの色分けに注意してください。 同じ色でマークされた領域が表示されますか？ これらには、相補的なゾーン（横方向の結合で接続された平行なセクション）と非相補的な（図ではバブルの形で示されています）の両方が含まれていますが、2次元スキャンの異なる部分にある同じ色のゾーンは、相互に作用し、上に描かれている複雑な構造を形成しています図1cおよび3次元四面体の形成面。 美しい写真をお楽しみください！




2009年、ボストンとハーバード大学の科学者たちは、ミツバチの蜂の巣のように、 3次元のDNA折り紙を構築するという原則を発表しました。 この作業の成果の1つは、3次元DNA構造を構築するためのオープンソースプログラムcaDNAnoを作成したことです（Autodesk Mayaで動作します）。 このプログラムを使用すると、素人でも簡単なグラフィカルインターフェイスを使用して既製のブロックから目的の構造を組み立てることができ、プログラムはこの構造に組み込まれる必要なDNAシーケンス（またはシーケンス）を計算します。





次の作品では、曲率を制御してDNAから複雑な3次元オブジェクトを作成する方法を学び、DNAで作られたさまざまな湾曲オブジェクトの美しい写真でScience誌の読者を喜ばせました（そのようなクールなギアが見つかりました！）。

周期構造

これまで、科学者は非周期的なDNA構造を試してきました。 しかし、あるブロックが別のブロックと同じブロックでやり取りできるように、そのような構造を作成したらどうなるでしょうか？ 互いに90度の角度で配置された3つのセグメントを想像してください（対戦車ハリネズミのように）。 明らかに、そのようなハリネズミの各側が別のそのようなハリネズミと相互作用する場合、そのような構造は無限立方格子のノードになります。 ニューヨークの科学者によって2010年に実践されたのはこのアイデアでした。彼らはすぐに3次元の格子、つまりDNAからの結晶を形成するようなハリネズミのDNAを作成したので、X線分析を使用してDNAがそのような構造を形成したことを示しました彼らが望んだもの。 同様に、DNA結晶のサイズは最大0.5ミリメートルであり（これはすでにマクロオブジェクトです）、ナノオブジェクトからマクロオブジェクトを組み立てることができると誇らしげに述べられました。



ラティスノードのステレオ画像を次に示します。目を正しく刈ることができる場合（これは直接ステレオペアです）、3Dで見ることができます（DNAの電子密度を示す下の図で、2つのノードがはっきりと見える-「対戦車ハリネズミ」）。

動的構造

三次元ナノオブジェクトの構築における次のステップも明らかです-しかし、どうにかしてすべてを動かすとどうなりますか？ 動いている物体は、すでにナノロボットと呼ばれています。 最も単純なDNAウォーカーは、カリフォルニア工科大学のチームによって2008年に作成されました。 かなり単純な原理で機能します。 たとえば、100ヌクレオチドの長さの1本鎖DNAを想像してください。 最初の分子の半分に相補的な、50ヌクレオチド長の短い一本鎖DNAを想像してください。 それらを混ぜるとどうなりますか？ そうです、それらはこれらの50ヌクレオチドの領域で二本鎖構造を形成し、最初の分子の後半は自由なままです。 しかし、100ヌクレオチドの長さで、最初の分子と完全に相補的な別のDNA分子をこの構造に追加するとどうなりますか？ 答えは非常に明白です。最初の分子との親和性が大きいため（100のうち100の親和性を持ち、100のうち50のヌクレオチドだけの短いものと）、50ヌクレオチドの長さの短い鎖を置き換えます。 それが最初のDNAウォーカーの仕組みです。 一本鎖DNA分子が基質に付着し、ステップウォーカー分子が溶液からそれらに到達します。この分子は基質上の2つの隣接する鎖に相補的なゾーンを持ち、それらに結合します。 次に、基質の最初の鎖に対して親和性の高い別のDNAを溶液に追加すると、歩行者の片方の足が移動し、その後、この足は基質の次の（3番目の）DNA鎖に結合します。 新しいディスプレイスメントDNAを追加すると、ウォーカーが基板に沿ってさらに駆動されます。 基質上の以前の鎖は、より長いDNA分子に結合することによりすでに不活性化されているため、逆ストロークは不可能です。



最初の歩行者はとても原始的に見えましたが、デザインはニューヨークの科学者によって完成されました 。 彼らはいくつかの「腕」と「脚」でより複雑な歩行者を作り、基質に相補的なDNAを使用して「貨物」（直径5および10 nmの金粒子）を取り付け、基質を通り抜けて荷物を収集するように「プログラム」しました-3つの小さな金粒子と1つの大きな金粒子。 一連のステップは矢印で簡単に追跡でき、金の粒子が右側の実験写真に表示され、歩行者がそれらを収集します。 動作中のナノロボット！ 下の写真は、「歩いて」貨物を収集するプロセスが正確にどのように発生するかを示しています。原理は同じで、DNAが別のDNAに置換されます。




しかし、それだけではありません。 DNAロボット工学の王冠（私の声に皮肉が聞こえると思います）は、ボストンのクリエーターが命名した「分子輸送のためのナノロボット」でした。 実際、男たちはDNAの「箱」を作りました。これは、DNAの「ロック」でロックされており、歩行者のように、あるDNAを別のDNAで押し出すという既知の原理に従って開くことができます。 貨物は箱の中に隠されています-金粒子または免疫グロブリン分子。 DNAは、この負荷を固定できるように化学的に変更できます。 したがって、閉じたボックスがあり、ボックスの内容は安全に隠されています。 ここで、ボックスを開く分子を追加します。分子が開き、内部に隠された免疫グロブリンが出てきて、作用し始めます！ 私たちは手をたたいて、感動し、進行中に喜びます。



彼らは生きたがん細胞の原理実証を行うのに怠け者ではありませんでした：彼らは細胞周期の重要なタンパク質をブロックする抗体を箱に入れ、箱をがん細胞に挿入し、箱を開いたアクティベーターを追加した後、がん細胞は本当に共有を停止しました！ したがって、原則として、体内での標的薬物送達および活性化因子分子からのシグナルによる適切なタイミングでのそれらの分離のために、そのような構造を使用することが可能であることが示された。 1つの問題が残っていました。どのようにして癌細胞を健康な細胞と確実に区別できるのか...

ヤギボタンアコーディオンを使用する理由

もちろん、これはすべて素晴らしいことであり、写真は美しいが、注意深い読者は「そして、国民経済にとって最初に約束された利益はどこにあるのか」と尋ねるかもしれない。 すべての新しいテクノロジーと同様に、このナノの美しさを熟考する美的喜び以外に、実際に大きな実用的な利点はありません。 しかし、すべてが始まったばかりです！ まず、DNAを化学的に修飾し、化学基を追加して、他の分子への結合を提供し、次にDNAを他の分子から複雑な構造を構築するための基質として使用できます。 たとえば、今では誰もがナノチューブから何かを作りたいと思っています。 一端をDNAに、他端をナノチューブに結合するアダプターを作成できる場合、DNA構造を使用してナノチューブを接続できます。 一方、 制御されたDNA金属化の報告はすでにあり、ここから金属化されたDNAで作られた構造に基づいて電子デバイスを設計することができます。 科学者は、複雑な構造のより便利な自己組織化を提供するより適切なポリマーを発明するかもしれませんが、いずれにしても、DNAオリガミは、ナノスケールでの複雑な物体の構築の最初の例の1つとして、科学の歴史の中でその地位を占めるでしょう。 それにしても、偉大で明るい未来が私たちを待っています。

PS： vxswからの興味深い追加：
「ここ数年、 BIOMODコンペティションが開催され、 Wyss Instituteの支援を受けてこのような部品を設計しています（最近のミニバッテリーの3D印刷など、多くの興味深いバイオテクノロジーの進歩に見られます）。」

PPS： PMでは、なぜRNAではなくDNAであるかを尋ねました。 答えは次のとおりです。主な理由は2つあります。（1）DNAは化学的に安定です。 すべての生物は、RNAを破壊する酵素である大量のRNaseを合成します。 誤って素管をRNAの入った試験管に入れた場合、RNAは何も残りません。誰もがRNaseを食べてしまいます。 したがって、彼らは特別な部屋などでRNAを使用します-DNAを使用する場合よりもはるかに多くの問題があります。 DNAにはこのような問題はありません。指を試験管に入れると、DNAは何もありません。 （2）RNAの化学合成のコストは、DNA合成のコストの数倍です。 それが人々がDNAを楽しんでいる理由だと思います-安くて簡単です。