Сотрудники факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ имени М.В.Ломоносова совместно с коллегами из нескольких российских научных институтов и Пенсильванского университета предложили алгоритм компьютерного моделирования сложенных из ДНК трёхмерных конструкций. Такие нанороботы могут использоваться в электронике и медицине, например, для доставки лекарств.
Технология ДНК-оригами позволяет создавать из цепочек ДНК различные конструкции, в том числе трёхмерные и управляемые. Это возможно благодаря тому, что длинные ДНК-молекулы состоят из нуклеотидов, образующих пары: аденин с тимином, цитозин с гуанином. Задавая последовательность нуклеотидов в цепочке, можно добиться того, что она будет складываться и скрепляться в нужных местах и под нужным углом. Например, по такой схеме недавно был сконструирован первый наноробот из нитей ДНК.
"Нарисовать проект сложных конструкций ДНК-оригами, особенно объёмных и динамических, например, коробочек для доставки лекарств, которые будут открываться и закрываться, очень сложно, потому что программа для создания таких проектов предполагает, что вы там рисуете двумерные развёртки. Если проект сложный, очень легко где-то что-то напутать и сгенерировать такой проект, который просто не соберётся", — объяснил аспирант факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ Артур Залевский.
Расчёты, которые требуются для создания работающего проекта, довольно масштабные. Их осложняет то, что необходимо учитывать движение большого количества (порядка миллиона) частиц и рассчитывать их попарные взаимодействия. Поэтому учёные используют упрощённую версию алгоритма, в которой группы атомов объединяются в условные частицы и описываются как единое целое, что позволяет многократно сократить размеры систем. Для разработки программы учёные использовали мощности суперкомпьютера МГУ "Ломоносов-2".
Алгоритм показывает, сможет ли созданная по проекту конструкция в принципе свернуться и как она будет двигаться, раскрываться и закрываться. Его преимущество перед аналогичными сервисами заключается в том, что он учитывает все виды взаимодействий между частицами, лучше и полнее описывает движения элементов конструкции, показывает их более естественными.
"Учёный загружает туда файл проекта, содержащий двумерное описание системы, а на выходе получает полноценную трёхмерную анимированную структуру, на которой он может посмотреть, как эта система двигается", — добавил Артур Залевский.
Чтобы оценить точность алгоритма, исследователи провели серию экспериментов, рассмотрев положение и форму молекул с помощью атомно-силового микроскопа. Авторы работы сравнивали распределения конфигураций, выданные алгоритмом и полученные в ходе экспериментов. По их словам, во время этой проверки алгоритм доказал свою эффективность.
Одно из возможных приложений технологии ДНК-оригами — использование конструкций в качестве контейнеров, которые могут адресно доставлять и высвобождать лекарственные средства. Например, с помощью таких нанороботов можно растворить тромб, не разжижая кровь во всём организме, или направить лекарства точно к клеткам раковой опухоли. Такое точечное воздействие позволяет снизить дозы лекарств и смягчить побочные эффекты. Кроме того, объекты из ДНК могут захватывать отдельные молекулы, благодаря чему можно изучать взаимодействия частиц на уровне молекул.
Статья с результатами работы учёных опубликована в журнале Nucleic Acids Research. Исследование проходило в рамках направления "Биологическая информация" проекта "Ноев Ковчег" при поддержке Российского научного фонда.
