Американські та японські хіміки придумали спосіб керувати рухом у рідкому середовищі біополімерних мікрочастинок, до структури яких входять ДНК-лінкери. Запропонований підхід заснований на принципі «штучного метаболізму» - керованого процесу полімеризації та гідролізу ДНК, за рахунок якого частинка може рухатися навіть проти зовнішнього потоку. У майбутньому подібний метод може допомогти при розробці мікро- і нанороботів, здатних до регенерації, пишуть вчені в.
Один з найбільш популярних хімічних механізмів, який вчені використовують для створення молекулярних моторів, - це взаємодія між молекулами ДНК і ферментами. Реакції полімеризації або деполімеризації, транскрипція, розрізання і відновлення ланцюжків - всі ці процеси можуть використовуватися, щоб привести штучно створену систему з невеликого числа біомолекул в рух. Наприклад, нещодавно вчені, керуючись подібними міркуваннями, створили молекулярний мотор з двох ДНК-кілець і ферменту, які здатні рухатися за заздалегідь заданим маршрутом за рахунок реакції синтезу РНК.
Більшість подібних молекулярних пристроїв, однак, поки не можна назвати навіть грубими моделями живих систем: вони потребують дуже точного зовнішнього контролю, а самостійно «приймати рішення» про необхідність початку руху, зміни структури або запуск хімічної реакції вони не можуть.
Щоб зробити молекулярних роботів на основі ДНК більш «живими», група хіміків з США і Китаю під керівництвом Дена Луо (Dan Luo) з Корнелського університету запропонувала помістити їх у середу, в якій відбувається штучний метаболізм (тобто реакції синтезу і розщеплення, що регулюють стан великих молекул). Таке середовище створювалося за рахунок додавання в розчин двох ферментів, один з яких призводить до утворення порівняно довгих ланцюжків ДНК із зовсім невеликих фрагментів, що знаходяться в розчині, а другий, навпаки, гідролізує полімер, розбираючи його назад на окремі шматочки. Таким чином, перший фермент, на думку вчених, відповідає за «штучний анаболізм», а другий - за «штучний катаболізм».
Коли ДНК знаходиться у формі полімеру, вона може виступати в ролі сполучного елемента між більш великими молекулами, зв'язуючись з фрагментами гідрогелю, гібридними органо-неорганічними наночастинками або білковими молекулами. Тому в тих областях, де ДНК присутня в заповімерізованій формі, з'являються великі структури з таких молекул і частинок, а там, де ДНК розбита на окремі блоки, - таких утворень немає. Щоб контролювати, де саме в досліджуваній системі будуть ділянки різного типу, автори роботи використовували мікрофлюїдні пристрої з трьома каналами для введення компонентів, а також тих, що містять масиви вертикальних колон, які рідинам доводиться обтікати. У такому пристрої формуються стійкі вузькі ламінарні потоки, концентрацію потрібних ферментів в яких легко контролювати. Тому при введенні в канал ДНК-полімерази, в ньому формуються пов'язані нитки з пов'язаного ДНК-лінкерами біополімера (автори роботи використовували білки і гібридні матеріали на основі неорганічних наночастинок), а при додаванні ДНК-гідролази ці нитки починають руйнуватися. Такий метод, що дозволяє контрольовано змінювати структуру матеріалу, вчені назвали DASH - DNA-based Assembly and Synthesis of Hierarchical materials.
Щоб показати, що таким чином дійсно можна керувати рухом біополімерних частинок в каналі, вчені провели експеримент, в якому за рахунок керованого змішування потоків трьох розчинів (основного розчину з прекурсорами, що «збирає» і «руйнує» розчинів) змусили штучну модель слизовика, зібраного з біополімерного гібридного матеріалу, повзти проти течії рідини. Домогтися цього вдалося за рахунок того, що спереду (щодо потоку) відбувалася розбирання матеріалу, а ззаду - навпаки, полімерізація. А ще більш вдосконалена схема дозволила вченим навіть влаштувати гонку між двома такими слизовиками.
За словами вчених, запропонований ними спосіб управління динамічною поведінкою гібридних частинок з ієрархічною структурою за рахунок принципу «штучного метаболізму» дозволить в майбутньому створювати штучні біологічні системи, здатні підтримувати свою життєздатність і при необхідності навіть регенерувати.
ДНК - один з найбільш поширених інструментів для створення керованих молекулярних систем на основі біомолекул. Наприклад, минулого року, також за допомогою лінкерів з ДНК, японські та американські хіміки навчилися керувати роєм молекулярних моторів на основі мікротрубочок. За рахунок використання лінкерів декількох видів, мікротрубочки вдавалося об'єднувати в групи, розділяти назад або змушувати їх одночасно обертатися.