Ο συνδυασμός νανοτεχνολογίας και DNA στην υπηρεσία της επιστήμης;

Τετάρτη, 04 Ιουλίου 2018 13:03
Shutterstock

Γενετική - DNA

Της Ανθής Αγγελοπούλου

Το DNA είναι ένα όμορφα έξυπνο και πολύπλοκο μόριο που περιέχει όλες τις γενετικές πληροφορίες που είναι απαραίτητες για την ανάπτυξη και την ανάπτυξη, τη λειτουργία και την αναπαραγωγή όλων των γνωστών ζωντανών πραγμάτων. Αλλά η νανοτεχνολογία του DNA δεν ενδιαφέρεται για αυτές τις γενετικές οδηγίες - αντ 'αυτού επικεντρώνεται στο σχεδιασμό, τη μελέτη και την εφαρμογή των συνθετικών δομών που βασίζονται στο DNA, κάνοντας χρήση των φυσικών και χημικών χαρακτηριστικών του νουκλεϊκού οξέος.

Το πεδίο της νανοτεχνολογίας του DNA επινοήθηκε από τον Αμερικανό νανοτεχνολόγο και τον κρυσταλλόγο Nadrian C. Seeman, επίσης γνωστό ως Ned, στις αρχές της δεκαετίας του 1980. Ο Seeman συνειδητοποίησε ότι θα μπορούσε να δημιουργηθεί ένα τρισδιάστατο πλέγμα από το DNA, το οποίο θα μπορούσε στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί για την τοποθέτηση μορίων στόχων, καθιστώντας ευκολότερη τη κρυσταλλογραφική μελέτη καθώς η δύσκολη διαδικασία λήψης καθαρών κρυστάλλων δεν ήταν πλέον απαραίτητη. Το εργαστήριο του Seeman δημιούργησε ένα κύβο DNA το 1991, το οποίο ήταν ένα σημαντικό βήμα προς την ανάπτυξη DNA origami. Ο ίδιος ο Seeman περιγράφει την τεχνική ως βολικό και λογικό μέσο κατασκευής νέων υλικών στη νανοκλίμακα.

Η νανοτεχνολογία DNA χρησιμοποιεί τεχνητά νουκλεϊνικά οξέα ως μη βιολογικό μηχανολογικό υλικό για τεχνολογικές χρήσεις. Δύο-διαστάσεων και τριών διαστάσεων κρυσταλλικά πλέγματα, νανοσωλήνες, πολύεδρα και άλλα σχήματα όλα έχουν δημιουργηθεί ως λειτουργικές συσκευές όπως οι μοριακές μηχανές και οι υπολογιστές DNA

Οι αυστηροί κανόνες σχηματισμού ζευγών βάσεων των νουκλεϊκών οξέων - κατά την οποία μόνον τα τμήματα των κλώνων με συμπληρωματικές αλληλουχίες βάσεων επιλεκτικά συνδέονται για να σχηματίσει μια διπλή έλικα - καθιστούν δυνατή τη χρήση τους σε αυτή την τεχνική. Επιτρέπει το σχεδιασμό των αλληλουχιών βάσης για την επιλεκτική συσσώρευση και τη δημιουργία σύνθετων δομών στόχου με ακρίβεια επακριβώς ελεγχόμενα χαρακτηριστικά νανοκλίμακας.

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι με τους οποίους μπορεί να συναρμολογηθεί το DNA:

  • μια μέθοδος που βασίζεται σε κεραμίδια όπου συγκεντρώνονται μικρότερες δομές,
  • με αναδίπλωση χρησιμοποιώντας την τεχνική του DNA origami για τη δημιουργία δισδιάστατων και τρισδιάστατων σχημάτων,
  • και μια δυναμικά αναδιαμορφώσιμη μέθοδο που χρησιμοποιεί μετατόπιση κλώνου.

Η τεχνική προσφέρει την απαράμιλλη ικανότητα να ελέγχει τη λειτουργία και τη δομή σε μοριακό επίπεδο, με το μέγεθος των δομών να επεκτείνονται προς την περιοχή των μικροδιαστημάτων. Αλλά προσφέρει και λύσεις στα προβλήματα της πραγματικής ζωής ή είναι απλώς ένα πολύ ενδιαφέρον ακαδημαϊκό έργο;

Στο ερώτημα αυτό απαντούν οι επιστήμονες λέγοντας ότι το DNA είναι ένα περίπλοκο μόριο και η πολυπλοκότητά του μπορεί να είναι και δώρο και κατάρα.

Οποιοσδήποτε αριθμός λειτουργικών ομάδων μπορεί να προστεθεί σε αυτό, από πρωτεΐνες σε μικρά μόρια έως ανόργανα υλικά, με οποιοδήποτε επιθυμητό προσανατολισμό ή σχέδιο.

Ωστόσο, η απόδοση είναι χαμηλή και η κλίμακα παραγωγής είναι μικρή, με το κόστος του συνθετικού DNA υψηλό.

Αυτό δεν είναι ένα τέτοιο πρόβλημα, είναι ότι η τεχνική χρησιμοποιείται για ακαδημαϊκούς σκοπούς, αλλά είναι κάτι που θα πρέπει να εξεταστεί εάν θα χρησιμοποιηθεί και εμπορικά. Επιπλέον, σε ορισμένες εφαρμογές, οι νανοδομές DNA μεταβάλλονται εύκολα και είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες στην αντοχή των ιόντων, τη θερμοκρασία και τις νουκλεάσες. Είναι επίσης μαλακό και μικρό και μπορεί να είναι δύσκολο να αντιμετωπιστούν οι επιμέρους δομές αποτελεσματικά.

Αλλά η νανοτεχνολογία του DNA έχει αξιοποιηθεί με επιτυχία σε μικρή κλίμακα. Έχει αναγνωριστεί ως ένα χρήσιμο εργαλείο για την επίλυση βασικών προβλημάτων στη δομική βιολογία και τη βιοφυσική, συμπεριλαμβανομένης της κρυσταλλογραφίας ακτίνων Χ και της φασματοσκοπίας πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού των πρωτεϊνών, προκειμένου να προσδιοριστεί η δομή τους.

Πράγματι, το DNA origami χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό της δομής των πρωτεϊνών της μεμβράνης με πυρηνικό μαγνητικό συντονισμό (NMR) και χρησιμοποιήθηκε ένα τεχνητό κανάλι μεμβράνης DNA-origami ως πλατφόρμα για αισθητήρες μονού μορίου, κάτι που μπορεί να αποδειχθεί χρήσιμο για τη διασύνδεση και την επικοινωνία με τα ζωντανά κύτταρα.

Νανοτεχνολογία και DNA στην καταπολέμηση του καρκίνου

Στο μέλλον, μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε ηλεκτρονικά συστήματα μοριακής κλίμακας για τη δημιουργία νανοσωματιδίων και στη νανοϊατρική για την παραγωγή έξυπνων φαρμάκων για στοχοθετημένη παράδοση φαρμάκων. Μία τέτοια ιδέα που βρίσκεται σε εξέλιξη χρησιμοποιεί ένα κοίλο κουτί DNA που περιέχει πρωτεΐνες που επάγουν απόπτωση (προγραμματισμένος κυτταρικός θάνατος) όταν βρίσκονται κοντά σε καρκινικά κύτταρα. Ορισμένες δομές DNA με αρκετούς βαθμούς λειτουργίας έχουν ενσωματωθεί σε DNA ρομπότ που μπορούν να αναγνωρίσουν νοσούντα κύτταρα και να ενθαρρύνουν την απόπτωση.

Προτεινόμενα για εσάς

Δημοφιλή