Настройка дизайна последовательностей в ДНК-нанотехнологиях также позволяет контролировать и программировать взаимодействия между молекулами ДНК. Межмолекулярные взаимодействия в клетках вызывают различные явления. Явление, называемое «фазовое разделение жидкость-жидкость (LLPS)» – разделение жидкости на более плотную фазу капель в более разбавленной фазе – играет важную роль во многих биологических процессах. LLPS, искусственно индуцированный с помощью ДНК-нанотехнологий, может помочь углубить наше понимание применимости LLPS и предоставить методологию контроля биомакромолекулярных капель.
Поэтому группа ученых из Токийского технологического института под руководством профессора Масахиро Такиноуэ разработала специфические наноструктуры ДНК, чтобы понять влияние последовательностей ДНК и продемонстрировать возможность управления LLPS – в фазы с высоким содержанием ДНК и с низким содержанием ДНК – в искусственно созданной ДНК. наноструктуры.
Их исследование, опубликованное в Science Advances, включало создание Y-образных наноструктур ДНК, называемых Y-мотивами.«Каждая сторона Y-мотива включает короткий липкий конец, который взаимодействует с другими« совместимыми »липкими концами. При постепенном снижении температуры ученые обнаружили, что Y-мотивы обратимо агломерируются, образуя капли, а затем гели.
Когда они добавили еще один набор сконструированных Y-мотивов с липкими концами, которые несовместимы с предыдущим набором, были сформированы два набора капель для каждого типа Y-мотива. Это продемонстрировало, что последовательности ДНК могут быть адаптированы для слияния исключительно с аналогичными.
Затем профессор Такинуо и его команда создали особую структуру ДНК, которая может соединять несовместимые Y-мотивы. При добавлении этого к смеси Y-мотивов образовывались капли, состоящие из обоих мотивов.
Дальнейшее построение расщепляемого варианта специальной мостиковой структуры ДНК и последующее добавление определенного расщепляющего фермента привело к разделению капель и смешанных капель на капли в форме Януса с несмешиваемыми половинками, содержащими два типа Y-мотива. Конъюгируя молекулы груза с нитями ДНК, совместимыми с одним из типов Y-мотива, ученые смогли локализовать молекулы груза исключительно на одной половине капли.
Таким образом, ученые смогли «программировать» ДНК и «контролировать» свое поведение, открывая двери для новой техники создания искусственных реакционных сред для изучения биологических систем и доставки лекарств.
Профессор Такинуэ объясняет: «Живые системы – это хорошо организованные динамические структуры, поведение которых регулируется информацией, закодированной в биополимерах (например, ДНК). Наша система разделения жидких и жидких фаз на основе ДНК может стать новой основой для развития искусственной клеточной инженерии."
Поскольку точные последовательности ДНК могут быть легко получены с использованием доступных методов биоинженерии, потенциальные применения управления поведением материалов с помощью последовательностей ДНК имеют далеко идущие последствия. Профессор Такиноуэ заключает: «Фазовое поведение, показанное в этом исследовании, может быть распространено на другие материалы, которые можно модифицировать с помощью ДНК, что может позволить нам проектировать фазы и создавать капли для различных материалов. Более того, мы предполагаем, что наблюдаемое автономное поведение макромолекулярных структур может однажды послужить развитию роботизированных молекулярных систем, сопоставимых с системами живых клеток."