Реклама

Створено штучну біологічну структуру зі здатністю до самовідтворення

( 6 Голосів, Всередньому: 4.33 із 5 )
Monday, 21 November 2011

самореплікаціяПерший крок до одержання функціонального матеріалу, який може відтворюватися самостійно, зробили американські вчені. Вони створили складну штучну структуру із фрагментів ДНК, яка може без помилок відтворюватися протягом декількох поколінь.

Про вдалу спробу одержати штучний матеріал, що володіє унікальною властивістю «живих» структур - здатністю до аутореплікації, тобто самовідтворення, доповіла група вчених, які представляють фізичний і хімічний факультети, а також центр м'яких магнітних матеріалів Університету Нью-Йорка. Результати їхньої роботи підсумовуються у статті, опублікованій у журналі Nature.

Аутореплікація та комплементарність

У живій природі аутореплікація зустрічається повсюди і становить основу життя на нашій планеті. Відтворюють самі себе молекули ДНК, РНК і деякі інші складні білкові молекули, наприклад ензими. Дотепер вченим вдавалося лише штучно відтворити природний процес. Наступним очікуваним кроком у розвитку нанотехнологій і матеріалознавства повинне було стати створення повністю штучної структури довільної конструкції, здатної безпомилково відтворювати себе з навколишніх хімічних компонентів.

Вчені з Університету Нью-Йорка змогли домогтися настільки бажаної мети, використавши як основу для свого «фертильного» матеріалу фрагменти молекул ДНК. Як відомо, ДНК складається із чотирьох азотистих основ, які можуть формувати парні комплекси за допомогою утворення водневих зв'язків. Ця можливість поєднуватися попарно у хімії називається комплементарністю. Із чотирьох цеглинок, які, складаючись у певній послідовності, у результаті утворюється молекула ДНК. Аденін комплементарний тиміну, а гуанін - цитозину.

Як основу для створення матеріалу зі здатність ауто реплікації нью-йоркські дослідники запозичили цю здатність попарно поєднуватися у складових молекул ДНК.

На основі синтетичних фрагментів ДНК вони створили нову складну штучну молекулу. Спочатку вчені створили молекулу BTX (bent triple helixes - «склеєна потрійна спіральна»), де три подвійні спіралі за допомогою водневих зв'язків «склеєні» вздовж осі й утворюють щось схоже на стрічку. Кожна потрійна молекула BTX була потім об'єднана з іншою такою же за допомогою двох перпендикулярних зв'язувань зі шматочків подвійної спіралі. Оскільки, на відміну від азотистих основ, фрагментів ДНК може бути не 4, а значно більше, то варіацій BTX може бути складено до 428, тобто квадрильйони. І кожна комбінація буде мати унікальні хімічні та фізичні властивості.

Три покоління в одній склянці

Саме складна конструкція, яка утворюється у підсумку із шести подвійних спіралей, і служила «зародковою» молекулою для демонстрації можливості штучної аутореплікації. Для кожного фрагмента ДНК, назвемо їх умовно A або B, використаного для складання цієї великої молекули, була також синтезована комплементарна пара A' або B'. Для ініціації процесу самовідтворення вихідні молекули поміщали у хімічний розчин, що містить комплементарні ДНК-цеглинки, необхідні для будівництва нових молекул. У результаті до кожного фрагмента (які ми назвали A або B) приєднувався комплементарний фрагмент (A' або B'). У підсумку виходила повністю «комплементарна» вихідній велика дочірня молекула.

самореплікація

Струкура з фрагментів ДНК зі здатністю до самореплікації (зображення Tong Wang)

При нагріванні до 37°C вона відділялася і продовжувала існувати у розчині самостійно.

На другому етапі у розчин знову додавали потрібні хімічні компоненти (цього разу комплементарні до A' або B' - тобто A або B) і нагрівали, одержуючи дочірню комплементарну молекулу. Однак вихідній молекулі вона була вже «внучатою», і не комплементарною, а абсолютно ідентичною. Причому зберігалися не тільки послідовності цеглинок у спіралях BTX, але і загальна форма і структура молекули, тобто поставлена мета була виконана на 100%.

Експонентні надії

Втім, на 100% свою мету нью-йоркські фізики та хіміки виконали тільки якісно. Кількісно ж вихід другого, «внучатого», покоління склав лише не набагато більше 30% від числа вихідних молекул. Це пов'язане з тим, що у процесі реплікації відбуваються помилки й у розчині з'являються «сміттєві» - неправильно або не повністю зібрані - молекули. І цю проблему вченим ще доведеться вирішити.

«Це перший крок у процесі створення штучного матеріалу зі здатністю до самореплікації довільно обраного складу, - вважає Пол Чайкін, професор фізичного факультету Університету Нью-Йорка, відомий фізик-матеріалознавець, учень Річарда Фейнмана та один зі співавторів дослідження».

«Наступне завдання полягає в тому, щоб створити процес, у якому самореплікація відбуватиметься не тільки для декількох поколінь, але досить тривалий час, щоб продемонструвати експонентний ріст числа молекул», - відзначив вчений.

«Незважаючи на те що наш метод реплікації вимагає багаторазових хімічних і термічних виробничих циклів, ми продемонстрували саму можливість реплікації не тільки для таких молекул, як клітинна ДНК чи РНК, але і для дискретних структур, які можуть у принципі приймати різні форми, мати багато різних функціональних ознак і поєднуватися з різними типами хімічних сполук», - додав співавтор і колега Чайкіна з хімічного факультету, професор Надріан Сімен.

У вчених вже є кілька ідей, як поліпшити процес. Наприклад, використовувати активацію світлом замість руйнуючого нагрівання. А домігшись стабільного експонентного росту числа молекул, вони збираються приступити до створення функціональних матеріалів на основі запропонованих принципів.

 

 

За матеріалами: gazeta.ru