Цепочка ДНК умеет создавать структуры из наночастиц

Ученые из США и Китая выяснили, что молекула ДНК может способствовать формированию у наночастиц строго определенной структуры. Последовательность, состоящая из одного типа нуклеотидов, взаимодействуя с частичками золота, приводила к появлению структур определенной формы. А вот сочетание разных цепочек нуклеотидов давало самый интересный эффект…

Фото:

Как мы помним, молекула ДНК является своеобразной матрицей — информация о том, каким должен быть белок, хранится в ней в виде последовательностей из четырех азотистых оснований, называемых нуклеотидами. Эти нуклеотиды комплиментарны друг другу — так, в двойных цепочках напротив основания по имени аденин всегда находится его "коллега" тимин, а с гуанином постоянно "партнерствует" цитозин. В большинстве случаев сочетание каждых трех оснований соответствует какой-то аминокислоте из состава белка (хотя имеются и сигнальные последовательности, которые подают команды в процессе синтеза).

Когда клетке нужен какой-то белок, двуспиральная ДНК "расплетается" и на ее основе синтезируется матрица-посредник, называемая информационной РНК. В ее молекуле имеются те же азотистые основания (только тимин там заменен на похожий урацил, которого в самой ДНК, кроме как у бактериофага PBS1, больше ни у кого нет), поэтому РНК может смело отправляться в рибосому — место, где из аминокислот собираются белки. А уже на этом "комбинате" специальные вещества прочтут записанную на ней информацию, на ее основе подберут все нужные аминокислоты и соединят их друг с другом.

Читайте также: И это все о нас: от ТНК — к ДНК, РНК

Итак, как видите, ДНК действительно представляет собой хороший пример естественной матрицы. Долгое время ученые считали, что эта уникальная молекула может помогать собираться только белкам. Однако недавно выяснилось, что матричные функции носителя наследственной информации куда более универсальны. В частности, ДНК может помогать различным наночастицам приобретать требуемую структуру.

Происходит это так: при добавлении молекул ДНК к наночастицам эта кислота связывается с ними селективным образом, сцепляя наночастицы друг с другом. Связывание происходит из-за того, что наночастицы обычно заряжены, и азотистые основания — тоже. Используя свойство противоположных зарядов притягиваться друг к другу, органические "запчасти" ДНК и неорганические наночастицы образуют довольно интересные структуры.

Тем не менее, до сих пор ученые не смогли понять закономерностей воздействия ДНК на конфигурацию наночастиц. Проще говоря, было непонятно, какие последовательности дезоксирибонуклеиновой кислоты способствуют образованию шариков, какие — кубиков, какие — звездочек и т. п. Однако недавно группе исследователей из Иллинойского университета в Урбане и Шампейне (США) совместно с их с коллегами из Университета Цинхуа (Китай) удалось выяснить, каким образом ДНК определяет конечную структуру металлических наночастиц, с которыми взаимодействует.

В серии экспериментов ученые инкубировали призматические наночастицы золота с различными ДНК-последовательностями. После в смесь добавлялся восстановительный агент (это был гидроксиламин) и одна из солей золота для того, чтобы начался процесс выстраивания структуры наночастиц. Его же результаты наблюдали при помощи электронных микроскопов — как трансмиссионных (просвечивающих), так и сканирующих.

В итоге выяснилось, что каждый из четырех нуклеотидов ДНК был ответственен за формирование строго определенных структур. Так, последовательность, содержащая только аденин, взаимодействуя с золотом, создавала лишь частицы округлой формы с неровной поверхностью. А вот тиминовые цепочки способствовали созданию шестиконечные звездочек. Если за дело брался цитозин, то наночастицы получались округлые, но с гладкой поверхностью, гуаниновые же последовательности инициировали появление гексагональных нанообразований.

Однако самым интересным оказалось то, что комбинация любых двух типов азотистых оснований (например, аденина и тимина) создавала частицы усредненной формы. В частности, когда ученые инкубировали именно такую последовательность, то золото сложилось в структуры, напоминающие звездочки с закругленными лучами. А соединение гуанина с цитозином привело к появлению структур, похожих на шарики с ребристой поверхностью. Ученые считают, что здесь — большой простор для экспериментов, поскольку вариантов сочетаний нуклеотидов весьма и весьма много.

Авторы работы убеждены, что их открытие можно использовать и в практических целях. В самом деле, наночастицы с выверенной по шаблону ДНК структурой пригодятся в гетерогенном катализе, успех которого зачастую зависит даже от тонкой структуры поверхности частиц катализатора. Также их можно успешно использовать в спектроскопии комбинационного рассеяния, где частицы, адсорбированные на поверхности, резко усиливают спектроскопические сигналы.

Читайте также: Вначале была… рибонуклеиновая кислота

Итак, получается, что ДНК действительно является универсальной матрицей, способной на основе заключенной в ней информации преобразовывать не только живую, но и неживую материю. Вопрос лишь в том, каким образом прочитать эту самую информацию…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"