Недавно разработанные наноструктуры ДНК могут образовывать гибкие, текучие и чувствительные к стимулам конденсаты, не полагаясь на химическое сшивание, сообщают исследователи из Института науки Токио и Университета Тюо в журнале JACS Au.
Благодаря жёсткому тетраэдрическому мотиву, который связывает линкеры в определённом направлении, образующиеся струноподобные структуры формируют конденсаты с исключительной текучестью и стабильностью. Эти открытия прокладывают путь для создания адаптивных мягких материалов с потенциальным применением в доставке лекарств, искусственных органеллах и биоинженерных платформах.
В живых клетках определённые биомолекулы могут организовываться в специализированные компартменты, называемые биомолекулярными конденсатами.
Эти структуры, похожие на капли, играют решающую роль в клеточных функциях, таких как регуляция экспрессии генов и биохимических реакций; они представляют собой природный способ организации клеточной активности без необходимости жёстких мембран.
Учёные всё больше интересуются созданием искусственных версий этих конденсатов с использованием ДНК-нанотехнологий, поскольку программируемость и точность ДНК делают её идеальным строительным материалом для синтетических биологических систем.
Однако влияние физической структуры компонентов конденсата на их поведение и функции до сих пор неясно. Большинство синтетических ДНК-конденсатов, созданных до сих пор, были относительно однородными и не обладали сложностью, присущей живым клеткам. Более того, многие биологические конденсаты, такие как хроматиновые, содержат высокоанизотропные компоненты — структуры с направленными свойствами, которые влияют на формирование и поведение конденсатов.
В недавнем исследовании группа учёных под руководством профессора Масахиро Такиноуэ из Института науки Токио (Япония) добилась значительного прогресса в этой области. Их работа исследует, как анизотропия в ДНК-наноструктурах может влиять на формирование и свойства ДНК-конденсатов.
Исследователи разработали жёсткие трёхмерные тетраэдрические ДНК-наноструктуры, которые соединяются в определённом направлении, образуя струноподобные сборки. В отличие от гибких X-образных ДНК-мотивов, используемых в предыдущих исследованиях, эти тетраэдрические мотивы сохраняют свою жёсткую структуру при соединении, создавая длинные цепи.
Ключевое нововведение заключается в том, как эти струны взаимодействуют: вместо химического сшивания между различными цепями, они ассоциируются через физическое запутывание, образуя разделённые фазы конденсатов.
В ходе различных экспериментов команда обнаружила, что их ДНК-конденсаты обладают замечательными свойствами по сравнению с обычными. При механическом воздействии струнные конденсаты могут растягиваться в волокнистые структуры без разрушения, демонстрируя исключительную гибкость и стабильность.
Тесты с использованием микрофлюидных платформ показали, что эти конденсаты могут деформироваться и проталкиваться через чрезвычайно узкие пространства, адаптируясь к окружающей среде текучим образом, что недоступно для сшитых конденсатов.
«Наблюдаемый баланс гибкости и стабильности разработанного конденсата может обеспечить проникновение и формирование в соответствии с архитектурой нерегулярных тканей, предлагая жизнеспособный вариант в качестве средства доставки лекарств», — говорит Такиноуэ.
Исследователи также продемонстрировали контроль над своими конденсатами с помощью внешних стимулов, включая ультрафиолетовый (УФ) свет и изменения температуры.
Благодаря использованию фоторасщепляемых спейсеров они могут инициировать разборку конденсатов с помощью УФ-излучения, высвобождая отдельные ДНК-наноструктуры, способные проникать в клетки. Кроме того, морфологические изменения конденсата при повышении температуры продемонстрировали его термочувствительность.
Эти демонстрации указывают на потенциальное применение в биомедицине и создании мягких материалов. В целом, результаты этого исследования открывают новые возможности для тонкой настройки свойств конденсатов для конкретных применений.
«Наш анизотропный тетраэдрический ДНК-конденсат представляет собой перспективный новый мягкий материал с потенциальным применением в широком спектре областей, включая биоинженерию и искусственные клеточные системы», — заключает Такиноуэ.
Будущие исследования и разработки проложат путь для создания новых молекулярных устройств, систем доставки лекарств и искусственных органелл, которые более точно имитируют сложную организацию, встречающуюся в живых клетках.
Предоставлено:
Институт науки Токио.