Многие биологические структуры невероятной красоты и сложности возникают благодаря процессам самосборки. На самом деле, мир природы кишмя кишит утончёнными и полезными формами, которые появляются из множества составляющих, пользуясь преимуществами внутренних свойств молекул. Учёные надеются получить улучшенное представление того, каким образом происходит этот процесс, и как такое строительство от основания к вершине можно использовать для усовершенствования технологий в информатике, материаловедении, медицинской диагностике и других сферах.
В новом исследовании профессор Петр Шульц из Аризонского государственного университета и его коллеги ещё на шаг приблизились к воспроизведению природных процессов самосборки. Их работа описывает синтетическое конструирование крошечного самособирающегося кристалла под названием «пирохлор», обладающего уникальными оптическими свойствами.
Ключом к созданию кристалла стало развитие нового метода симуляции, который может спрогнозировать и руководить процессом самосборки, избегая появления нежелательных структур и обеспечивая соединение молекул в надлежащем порядке.
Это достижение обеспечивает стартовую площадку для того, чтобы в итоге можно было сконструировать сложные самособирающиеся устройства нано-масштаба, размером примерно с отдельный вирус.
Для создания нанокристалла пирохлора были использованы новые методы, особый тип решётки, которая в итоге может выступать в качестве оптического метаматериала, «особый тип материала, который пропускает световые волны только определённой длины, — говорит Шульц. — Такие материалы впоследствии можно использовать для создания так называемых оптических компьютеров и детекторов повышенной чувствительности для различного применения».
Шульц проводит исследования для Центра биодизайна, молекулярного дизайна и биометрии, Школы молекулярных наук и Центра биофизики в Аризонском государственном университете.
Работа опубликована в текущем издании журнала Science.
От хаоса к сложноструктурности
Представьте, что вы поместили разобранные часы в коробку, которую потом как следует потрясли в течение нескольких минут. Когда вы открываете коробку, внутри вы обнаруживаете собранные, полностью рабочие часы. Интуитивно мы знаем, что это практически невозможно, поскольку часы, как любое другое устройство созданное нами, должны собираться системно, и каждый компонент должен помещаться в конкретное место человеком или роботизированным конвейером.
Биологические системы, такие как бактерии, живые клетки или вирусы, способны строить крайне изощрённые наноструктуры и наномашины – комплексы биомолекул, вроде защитной оболочки вируса или флагелл бактерий, которые действуют подобно корабельному винту, помогая бактерии продвигаться вперёд.
Эти природные формы, как и многие другие, по размеру сопоставимые с несколькими десятками нанометров (один нанометр равен одной миллиардной доле метра, или, грубо говоря, длине роста вашего ногтя за одну секунду) возникают благодаря самосборке. Эти структуры формируются из отдельных составляющих (биомолекул, таких как белки), которые хаотически, случайным образом передвигаются внутри клетки, постоянно сталкиваясь с водой и другими молекулами, подобно компонентам часов в коробке, которую вы как следует трясёте.
Несмотря на очевидный хаос, эволюция обнаружила способ привести этот неконтролируемый процесс в порядок. Молекулы взаимодействуют особым образом, благодаря которому они подгоняются друг к другу должным образом, создавая функциональные наноструктуры внутри клетки или на её поверхности. Сюда входят различные мудрёные комплексы внутри клеток, вроде аппаратов, способных воспроизводить генетический материал во всей полноте. Менее хитромудрые примеры, но тем не менее весьма сложные, включают самосборку крепких внешних оболочек вирусов, изучением процесса сборки которых Шульц также занимался ранее со своим коллегой, Бану Озканом с факультета физики АГУ.
Ковыряясь с ДНК
В течение нескольких десятилетий бионанотехнологи работают над созданием в лабораторных условиях крохотных структур, воспроизводя процессы природной сборки, наблюдаемые в живых организмах. В целом, этот метод заключается в смешивании молекулярных компонентов с водой, постоянно остужая их в надежде, что, когда раствор достигнет комнатной температуры, все компоненты подойдут друг к другу правильно.
В одной из наиболее успешных стратегий, известной как ДНК-бионанотехнология, в качестве базового строительного материала используется искусственно синтезированная ДНК. Эта молекула жизни не только способна хранить громадные залежи генетической информации — спирали ДНК также можно спроектировать в лаборатории так, чтобы они соединялись друг с другом подобно хитроумной 3D-структуре.
Получающиеся в итоге наноструктуры, известные как ДНК-оригами, имеют ряд перспективных применений, от диагностики до терапии, где, например, их испытывают в качестве нового метода доставки вакцин.
Серьёзную проблему представляет собой разработка взаимодействий между молекулами, которые формируют только специфические, предварительно спроектированные наноструктуры. На практике непредвиденные структуры часто возникают благодаря непредсказуемой природе столкновений и взаимодействий между частицами. Этот феномен, известный как кинетическая ловушка, похож на надежду получить рабочие часы после того, как потрясёшь коробку с запчастями, а вместо этого получить беспорядочную кучу.
Поддержание порядка
В попытке ускользнуть от кинетических ловушек и позаботиться о том, чтобы из фрагментов ДНК самособралась необходимая структура, исследователи разработали новые статистические методы, способные симулировать процесс самосборки наноструктур.
Проблемы, возникающие при попытке создания рабочих симуляций таких невероятно сложных процессов, огромны. В фазе сборки хаотический танец молекул может продолжаться в течение нескольких минут и даже часов, прежде чем наноструктура будет сформирована, но самые мощные симуляции в мире могут симулировать максимум несколько миллисекунд.
«Таким образом, мы разработали целый ряд новых моделей, которые могут симулировать наноструктуры ДНК с разным уровнем точности, — говорит Шульц. — Вместо того, чтобы симулировать отдельные атомы, что принято в симуляциях белков, например, мы представляем 12000 оснований ДНК как одну большую частицу».
Этот подход позволяет исследователям точно определить проблемные кинетические ловушки, комбинируя компьютерные симуляции с разной степенью точности. Используя свой усовершенствованный метод, учёные могут поднастраивать ураган молекулярных взаимодействий, принуждая компоненты к тому, чтобы те собирались должным образом в задуманную структуру.
Вычислительная структура, установленная в данном исследовании, приведёт к созданию более сложных материалов и развитию наноустройств со сложными функциями, которые потенциально могут быть использованы как в диагностике, так и в лечении.
Исследование проводилось в сотрудничестве с учёными из Римского университета Ла Сапиенца, Венецианского университета Ка Фоскари и Колумбийского университета в Нью-Йорке.
Автор — Ричард Харт.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК».
Материалы предоставлены Аризонским государственным университетом.
Вам также может быть интересно: