Nový nástroj pro DNA origami: Vědci zajistí spolehlivější nanostruktury pro medicínu a agritech
InovaceScaffolded DNA a RNA origami je technika, která umožňuje vědcům vytvářet miniaturní, vysoce přesné dvou- a trojrozměrné objekty.
Scaffolded DNA a RNA origami je technika, která umožňuje vědcům vytvářet miniaturní, vysoce přesné dvou- a trojrozměrné objekty. Tyto nanostruktury mohou přirozeně interagovat s biologickými systémy, což jim otevírá cestu k důležitým budoucím aplikacím ve zdravotnictví a agrotechnologiích.
DNA origami se tvoří z jednoho dlouhého řetězce DNA, nazývaného „lešení“, a mnoha kratších řetězců, známých jako „spony“. Když se tyto složky smíchají a jemně zahřejí a ochladí, menší řetězce se přirozeně připojí ke specifickým částem delšího řetězce a vtáhnou ho do požadovaného tvaru. Prostřednictvím tohoto procesu samo-sestavování se DNA skládá do drobných, pečlivě navržených struktur, které rozšiřují známou dvoušroubovicovou formu DNA. Dosud však nebylo plně pochopeno, jak přesné pořadí stavebních bloků DNA ovlivňuje spolehlivost tvorby těchto struktur. Nežádoucí interakce mezi různými řetězci DNA mohou někdy způsobit chyby v procesu sestavování, což snižuje počet správně vytvořených struktur, i když jsou řetězce navrženy tak, aby správně odpovídaly.
Mezinárodní tým vědců pod vedením Newcastle University vyvinul výpočetní nástroj, který předpovídá a zabraňuje nežádoucím interakcím při navrhování DNA origami. Pomocí tohoto přístupu tým identifikoval jak příznivé, tak nepříznivé oblasti lešení z biologických a syntetických sekvencí. Zjištění, publikovaná v časopise Nature Communications, ukazují, že výběr DNA sekvence je kritickým faktorem pro úspěšný návrh DNA origami a mohl by pomoci výzkumníkům vytvářet spolehlivější nanorozměrná zařízení pro budoucí aplikace v medicíně, biotechnologii a materiálové vědě.
Experimenty s plochými, dvourozměrnými (2D) i trojrozměrnými (3D) DNA origami strukturami ukázaly, že sekvence, u nichž se předpokládalo méně mimocílových interakcí, se skládaly mnohem úspěšněji, zatímco špatně optimalizované sekvence často selhaly, přestože měly celkově správný design. Profesor Natalio Krasnogor, hlavní autor studie z Newcastle University, zdůraznil, že nový článek využívá víceobjektivní výpočetní rámec, který optimalizuje sestavování DNA origami výběrem sekvencí lešení minimalizujících mimocílové interakce. Tyto interakce jsou známé tím, že způsobují kinetické pasti a snižují výtěžnost skládání. To je klíčové pro výzkumníky, kteří chtějí zlepšit výtěžnost výroby a mechanickou uniformitu zakázkově navržených DNA origami objektů pro následné biomedicínské nebo agrotechnologické aplikace.
Dr. Juan Elezgaray z University of Bordeaux dodal, že DNA origami se dnes používá jako téměř rutinní nástroj k vytváření nanostruktur. Výzkum ukázal, že úspěch metody může být částečně otázkou náhody, většinou spojenou s výběrem konkrétního, snadno dostupného lešení. Jiné volby by vedly k mnohem méně efektivní metodě. Profesor Ariel Kaplan z Israel Institute of Technology doplnil, že DNA origami je často popisováno jako programovatelné samo-sestavování, ale tato práce ukazuje, že samotná DNA sekvence je důležitější, než se obvykle předpokládá. Kombinací výpočetního návrhu, zobrazování a optických pinzet s jednou molekulou zjistili, že vyhýbání se neúmyslným interakcím zlepšuje nejen výtěžnost skládání, ale také mechanickou uniformitu výsledných nanostruktur. Tato spolehlivost je nezbytná pro posun DNA origami směrem k budoucím biomedicínským, biotechnologickým a materiálovým aplikacím. Profesor Michael Famulok z Universität Bonn potvrdil, že již začali úspěšně začleňovat algoritmus Sequence Selector do svého výzkumu, aby systematicky optimalizovali sady spon origami a získali tak robustnější návrhy origami. Tato metoda doplňuje stávající nástroje pro návrh origami a pomáhá snižovat chybná skládání způsobená kinetickými pastmi nebo nespecifickými interakcemi.