Построена система доставки грузов на основе ДНК и белков

Человечество только сейчас начинает изучать, как овладеть конструированием в нанометровом масштабе, но биология занималась этим на протяжении миллиардов лет. И как только мы стали разбираться в манипулировании биологическими материалами, линии между нанотехнологиями и синтетической биологией стали довольно размытыми.

Журнал Nature Nanotechnology выпустил статью, который описывает крошечные биологические машины, спроектированные для строительства транзитных систем и доставки груза по назначению. Компонентами этих систем являются ДНК и белки. В определенной степени, британская команда не создала систему, а перепроектировала то, что уже придумано природой. Клетки обладают транспортной системой, которая использует структуры, называемые микротрубками. Это маленькие волокна толщиной 25 нанометров в диаметре, изготовленные из повторяющихся звеньев двух белков (альфа- и бета-тубулина). Существуют также специализированные моторные белки, которые связываются с ними и перетаскивают груз вдоль волокон. Эта сотовая транзитная системы делает всё для доставки пакетов белков в нужное место клетки для обеспечения равномерного распределения хромосом при делении клеток.

Моторный белок, используемый в этих экспериментах, называется кинезин. Каждая молекула кинезина разделена на секции, где она несёт груз, и «головной отсек», который приклеивается к микротрубкам. Когда две такие молекулы держатся вместе, головные отсеки действуют как «ноги», попеременно совершая шаги вдоль микротрубок, каждый шаг продвигает кинезин на 8 нм. Каждый из этих шагов использует немного энергии в виде аденозинтрифосфата (АТФ).

В новой работе авторы выполнили хитрый трюк, чтобы заставить кинезин собрать транспортную сеть из микротрубок. Вместо того чтобы каждая пара молекул кинезина были связаны с грузовым доменом, они связали их с другой парой молекул кинезина. Как правило, это связывает две различные микротрубки вместе. Учитывая сочетание этих молекул кинезина и микротрубок, получается сложная сетка, «сшитая» кинезином.

Теперь о том, что будет, если добавить АТФ. Каждая молекула кинезина начнёт спускаться к одному концу микротрубки (микротрубки имеют различные полюса, и кинезин двигается только к положительному). Со временем это свяжет все положительные концы в единый центральный узел. Остальные микротрубки будет испускать излучение. Конечным результатом является нечто вроде одуванчика.

Собранную транзитную систему авторы решили использовать для перемещения объектов к хабу. Они опирались на специальную версию кинезина, на этот раз связанную со «связывающим ДНК белком». Пока ДНК имеет правильную последовательность, модифицированный кинезин может прицепиться к ней и переносить молекулу ДНК. Всё, что связано с ДНК, также будет переноситься. Чтобы продемонстрировать это, авторы пометили ДНК флуоресцентной молекулой и показали, что добавление АТФ может заставить флуоресцентный сигнал сконцентрироваться в центре транзитной системы.

Конечно, транзитная система не работает, если вовремя не может избавиться от груза. Авторами была разработана другая молекула ДНК, которая сама становится основанием пары и разваливает первоначальную молекулу ДНК. Вручить эту вторую часть ДНК кинезину, и она также будет доставлена в транзитный центр, освободив помеченные флуоресцентные ДНК.

Авторы показали, что тот же принцип может быть использован для разборки транзитного узла. Вместо химического связывания двух наборов молекул кинезина, биологи связали их с ДНК. ДНК-связанные молекулы будут по-прежнему собирать концентратор при введении АТФ. Но теперь если была доставлена другая молекула ДНК, которая нарушает основание связи, весь узел развалится.

По существу нет никаких ограничений на количество различных ДНК-последовательностей, которые могут быть использованы для доставки молекул к центру, так что эта система является очень гибкой. Пределом служит переполнение пространства около центра, что ограничивает способность кинезина доставлять сюда больше груза. Авторы ещё не придумали, как сделать что-то практическое с такой системой, но они предполагают, что она может быть использована для пошаговой сборки молекулы или комплексов молекул.