Хабрахабр

Крестики-нолики: демонстрация управляемого процесса реконфигурации ДНК структур

Звучит забавно, но это лишь верхушка айсберга притрушенная легким юмором от самих ученых. Ученые провели партию в крестики-нолики с помощью ДНК. Использование ДНК как основных деталей системы — задача не из простых, но это не останавливает ученых, чьи умы полны идей, а сердца энтузиазма. На самом же деле сегодняшнее исследование раскрывает новые методики контроля кинетики взаимодействия ДНК-наноструктур, которые в совокупности смогут выполнять сложные задачи. За ответами обратимся к докладу исследовательской группы. И так, как же им удалось перемещать ДНК-блоки по заданному паттерну, что показало исследование и какие перспективы данной методики в будущем? Поехали.

Основа исследования

Эти принципы схожи со стандартным смещением нитей ДНК, но нацелены на более крупные объекты, точнее на ДНК-структуры. В данном исследовании ученые продемонстрировали новую методику перемещения ДНК плиток, в основе которой лежат принципы опорного соединения и смещения ответвления.

Игра в крестики-нолики была проведена не забавы ради, а для демонстрации возможности смещения ДНК плитки в любом порядке и положении. Данная методика позволила получить контроль над кинетикой ДНК плиток и реализовать желаемую цепочку реакций внутри мультиструктурных систем.

ДНК, как молекула-носитель информации, считается одним из лучших материалов для изучения и создания самоорганизованных наноструктур. Для понимания механизмов биологических систем необходимо рассмотреть ее основные составляющие, в числе которых одними из важнейших являются молекулярные структуры.

Среди методик, в основе которых лежит ДНК, больше и больше популярности последние годы приобретает методика ДНК-оригами, позволяющая создавать структуры из ДНК любой желаемой формы и конфигурации.

На данный момент можно было только соединить/разъединить несколько ДНК-оригами. Составные элементы одного ДНК-оригами можно крутить-вертеть как угодно, но пока еще не удавалось достичь контролируемого взаимодействия между несколькими ДНК-оригами, как составными элементами большей, а потому и более сложной, структуры.

Имеется структура, в которую внедряется плитка ДНК-оригами, смещающая другую плитку из общего массива и соединяющаяся со структурой за счет связующего домена* на краю плитки (точка опоры/связи). В сегодняшнем исследовании ученые продемонстрировали новую методику взаимодействия ДНК-оригами.

Связующий/связывающий домен* — домен белка, являющийся частью белковой цепи, но способный функционировать отдельно от нее.

В качестве примера ученые создали три варианта реконфигурации: конкурентная, последовательная и кооперативная. Совокупность этих «движений» (пошаговая реконфигурация) была продемонстрирована как игра в крестики-нолики, когда у каждого игрока было 9 уникальных ДНК-оригами, которые можно перемещать в любом порядке на поле в 264х264 нм.

Формирование ДНК плиток


Структуры плиток ДНК.

У каждой плитки на двух краях имеется 11 скоб, каждая из которых участвует в стекинге. Ранее, перед проведением данного исследования, ученые разработали методику создания индивидуальных ДНК плиток.

На изображении выше показан массив из 4 плиток (сверху слева), каждая из которых соединяется с соседней посредством скоб.

Для этого, в теории, необходимо было, чтоб связь между плитками была достаточно слаба. Исследователи рассматривали несколько возможных вариантов создания более крупных массивов с большим числом плиток. Однако наблюдения показали, что есть возможность создавать реконфигурируемые многоплиточные массивы даже при температурах, когда связь между плитками должна быть перманентной. Это позволило бы ее разорвать и перестроить массив.


Реконфигурация плиток.

Первое — формирование связей происходит при достаточно высокой температуре, при этом попадая в температурный диапазон обратимости процесса. Это явление имеет два возможных пояснения. Также могут делать и 2 копии тримеров, образующие массив 2х2 высвобождая димер. Второе — димер и тример подвергаются реакции вытеснения, посему образуется массив 2х2 при высвобождении мономера.

Если же во время реакций смещения не будет самопроизвольного отсоединения плиток, то не будет возникновения кинетических ловушек, за счет чего плитки будут собираться в конфигурацию 2х2.

Другими словами, будут ли ДНК-оригами проявлять самодеятельность или нет. Необходимо было проверить, будет ли одна ДНК-оригами вытеснять другую в общей структуре, при этом не связываясь самопроизвольно внутри самой структуры. Для этого было проведено два эксперимента.


Практический опыт: 2 ДНК плитки (квадраты) + 1 ДНК треугольник, которые должны сформировать общую структуру.

Структурно треугольник мог иметь либо такой же связующий домен, как и квадраты, либо обладал дополнительным связующим доменом, дополняющим соседний квадрат. В первом опыте участвовало 2 ДНК плитки и 1 ДНК треугольник, сам же эксперимент проводился при константной температуре.

Во втором варианте треугольник заменял один из квадратов, так сказать вытесняя его. В первом варианте опыта 2 квадрата остаются связанными друг с другом, в то время как треугольник соединяется с одним из квадратов. Но теперь нужно сделать так, чтобы этот процесс был подконтролен ученым, а не происходил сам по себе за счет естественных сил. Это на практике показало, что существует возможность изменять сложные ДНК-оригами.


Изображение №1

Так мы получаем двухцепочечную структуру, в которой происходит процесс миграции ветвей, когда цепи перемещаются через точку соединения (). Если говорить о реакциях смещения у цепей ДНК, то тут мы имеем цепь со связующим доменом, который соединяется со «свободным» комплементарным доменом. Подобный процесс протекает и в реакциях смещения ДНК плиток (1b и ).

Из изображение мы также может увидеть, что каждая ДНК плитка состоит из 4 равнобедренных треугольников, соединенными между собой скобами, о которых мы уже с вами знаем.

Присмотритесь к изображению №1, на плитках видны Х (черный) и О (белый). Касательно игры в крестики-нолики: для более удобной визуализации процесс смещения и реконфигурации участники были помечены крестиком (Х) и ноликом (О) посредством скоб двух разных цветов.

Кинетика реакций смещения ДНК плиток

Таким образом можно достичь соединения, разъединения и реконфигурации плиток. Простыми словами говоря, достижение контроля над кинетикой процесса необходимо делать одни реакции более быстрыми, а другие более медленными. Для этого ученые создали точки соединения (между плитками) с разной силой, так сказать, сцепки. Но нужно определить диапазон кинетики, позволяющей это осуществить.

Но вот область доменов опорных (связующих) точек варьировалась от 0 до 4 (1d). Число скоб на соединительной в домене миграции ветвей было одинаковым для всех плиток.

В конце домена миграции ветвей 2 пары скоб были модифицированы флуорофором и гасителем. В эксперименте участвовала основная плитка («активны» все 4 точки связи) и придаточные плитки (число точек связи варьировалось от 0 до 4). А вот если придаточная плитка (с гасителем) будет отсоединена, флуоресцентный сигнал усилится. Если придаточная плитка сохраняет связь с основной, то флуорофор будет гаситься, что приведет к низкому флуоресцентному сигналу. Таким образом можно будет определить как протекает процесс.

Ученые отмечают, что флуоресцентные траектории придаточных плиток с 0 соединительных скоб оставались практически неизменны. Спустя сутки можно было делать первые выводы из наблюдений. Любопытно, что точки связи со скобами с 1-нуклеотидом и 2-нуклеотидом показывают очень разную скорость сатурации (насыщения). Также было замечено, что плитки с идентичной длиной соединительного ребра, но с большим число точек соединения, проявляют куда более быструю кинетику.

Сами ученые говорят, что модель весьма проста и часто используется для оценки кинетики в реакциях смещения цепей ДНК, потому подходит и для плиток ДНК. Изображение показывает математическую модель, использованную для численной оценки кинетики.

Сравнительный анализ (1f) симуляций (смоделированных реакций) и экспериментов дал возможность определить те параметры, которые влияют на процесс рекомбинации ДНК плиток.

Общим между процессами смещения плиток и нитей является то, что с увеличением числа нуклеотидов в точках связи, экспоненциально уменьшается скорость распада. Прежде всего ученые отмечают, что скорость соединения плиток в 10-100 раз (зависит от длины ребра соединения плитки) меньше, чем скорость соединения нитей ДНК. Максимальный общий показатель смещения для ДНК плиток (скорость реакции) составил 4. При этом у плиток эта скорость в 40 раз меньше, чем у нитей ДНК. Если концентрация низкая (<50 нM), то скорость бимолекулярного связывания будет ограничивать скорость смещения плиток. 5х105 М-1*с-1. Если же концентрация больше 50 наномоль, то уже скорость мономолекулярного смещения будет ограничивать скорость смещения плиток.

А теперь давайте рассмотрим результаты опытов для каждой из них подробнее. Далее ученые провели несколько экспериментов, описывающих 3 основных типа реконфигурации: конкурентная, последовательная и кооперативная.

Конкурентная реконфигурация

Данная функция является важным элементом цифровых логических вычислений процессов смещения нитей ДНК, посему ее можно применить и для плиток ДНК тоже. Для достижения конкурентной реконфигурации ученые предложили использовать сигмоидальную функцию в ответ на концентрацию сигнала, таким образом получив систему реконфигурации на основе информации.


Изображение №2

Разница в их скорости (). Дабы продемонстрировать «работу» сигмоидальной функции ученые создали 2 конкурирующие реакции смещения плиток, которые активируются одной и той же придаточной плиткой.

Ожидается, что она будет соединяться с подходящей точкой связи и с четырьмя 1-нуклеотидными скобами. У придаточных плиток точка связи это четыре 2-нуклеотидные скобы. Когда у придаточной плитки концентрация была меньше 2 нМ, запускалась более быстрая реакция (2b). Скорость реакции же у придаточных плиток отличается в 18 раз. Если же концентрация была больше 2 нМ, то запускалась более медленная реакция.

Спустя 24 часа было установлено, что результат более быстрой реакции увеличивался линейно, а результат более медленной реакции показал сигмоидальную функцию ().

Последовательная реконфигурация

Данный тип куда сложнее, но дает больше контроля над процессом, если конечно все получится. Следом за конкурентной реконфигурацией была последовательная.

Далее уже вторая придаточная структура из 2 плиток смещает 2 плитки из массива. Итак, ученые создали массив 2х2, в котором первая придаточная плитка смещает другую плитку, освобождая ранее используемую точку связи. Своего рода каскадное смещение ().


Изображение №3

Посему такие промежуточные состояния смещения необходимо учитывать для проведения более сложных процедур реконфигурации. Ученые подметили, что смещение по углам плиток проходит медленно, примерно в 100 раз медленнее, чем на остальном участке ребра плитки.

На изображении 3b мы можем увидеть вполне успешные результаты опыта с последовательной реконфигурацией (оранжевая кривая).

Обратите внимание на изображения выше (3b): массивы, которые реагировали на первую придаточную плитку, но не на вторую, в итоге выглядят как «грустная мордашка». А сейчас еще немного креатива от исследователей. А вы говорите, у ученых нет чувства юмора. А вот массивы, у которых связь с обоими придаточными плитками прошла успешно, выглядят как «улыбающаяся мордашка».

Использование двух типов участников (массива 2х2 и двухплиточной структуры) показало следующие результаты по эффективности смещения спустя 48 часов наблюдений: 83. По словам ученых, чем сложнее структура участников реакции, тем сложнее сам процесс реконфигурации, но и тем интереснее ее результат. 8% и 90. 3± 9. 1%. 5 ± 6. Есть некие погрешности, но они незначительны. Другими словами, реакции смещения проходят отлично.

Система способна реагировать на более чем 1 сигнал, указывающий какие инструкции требуют исполнения и что для этого имеется. Эксперименты с последовательной реконфигурацией позволили не только понять основные принципы последовательности точек связи и «каскадность» реакции, но и продемонстрировали новые особенности. Даже если первая придаточная структура входит в контакт с основой раньше второй, структура все равно показывает ожидаемую реконфигурацию. Этот сигнал представлен в эксперименте в виде двух типов придаточных структур.

Ученые лишь слегка контролируют их, но не вмешиваются по полной программе. Эти процессы по большей части протекают сами по себе. Следующим шагом в экспериментах является увеличение контроля над процессом реконфигурации и изучение возможности программирования этого процесса.

Кооперативная реконфигурация

Если присутствует только одна плитка, то она должна переместится к центру массива. В этом эксперименте было 2 придаточные плитки, которые соединялись с двумя краями массива 2х2 (). При наличии обоих придаточных плиток возникает сразу два процесса миграции ветвей, которые сходятся в центре массива, а в результате мы получаем кооперативное смещение. При этом отсутствие второй плитки позволяет обратить процесс, тем самым повторно отсоединив придаточную плитку от массива.

Опыт с флуоресценцией показал, что при наличии только одной придаточной плитки, флуоресцентный сигнал очень слаб, но усиливается если присутствуют обе плитки (3d: синяя и зеленая кривая — слабый сигнал, желтая — сильный сигнал).

При этом последние формировались в 68. Так же, как и в предыдущем эксперименте, массивы, которые взаимодействуют только с 1 придаточной плиткой, помечались как «грустная мордашка», а массивы и обе плитки — «улыбающаяся мордашка». 7% случаев. 0 ± 7.

Крестики-нолики

В данном опыте был использован массив 3х3, что позволяет провести 9 уникальных реакции смещения плиток в любом порядке (). И, наконец, эксперимент «крестики-нолики».


Изображение №4

По периметру массива между каждыми соседствующими плитками было по одной точке связи, всего 8 таких точек. Данный эксперимент является совокупностью сразу нескольких типов реакций: смещение угловой плитки, смещение краевой плитки и смещение центральной. В этот момент ветвь мигрирует внутри края плитки и через угол в 90°, а ранее соединенная с массивом угловая плитка высвобождается и интегрируется в сам массив (внутри массива, когда ранее была на краю). 4 из них участвовали в смещении угловой плитки, когда придаточная плитка с соответствующей точкой связи контактирует с краевой плиткой рядом с угловой. Другие 4 точки связи использовались для активации смещения краевых плиток.

Посему было добавлено 4 дополнительные точки между центральной плиткой и всеми соседствующими с ней (). Самым сложным в данном эксперименте было инициировать смещение центральной плитки, ввиду ограниченного числа доступных точек связи.

Все придаточные плитки были внедрены в массив, который перестраивался так, как и планировали ученые. Наблюдения показали отличный результат. Процент преобразования внутри массива был следующий: 78,4 ± 6,0% для смещения угловых плиток, 52,8 ± 6,0% для смещения краевых плиток и 100% — центральных.

Игровая доска представляла собой массив 3х3, все плитки были «чисты», то есть никак не помечены. А теперь перейдем непосредственно к самой игре, которая объединила в себе все типы реакции в виде каскада.

Совершение хода в данной игре это добавление в тестовую камеру этой плитки с интервалом в 24 часа (длинная партия в крестики-нолики, не правда ли). Каждый из игроков, коих было 2 естественно, получал в свое распоряжение 9 придаточных плиток, помеченных «Х» и «О».

Видео-демонстрация игры в крестики-нолики с помощью ДНК плиток.

Наблюдения (4b и ) показали, что игровое поле реагировало на все ходы, то есть реконфигурация протекала в соответствии с инструкциями со стороны игроков (добавление помеченных плиток).

Таким образом точность выполнения реконфигурации также снижалась. Вся проблема была в том, что к концу игры на поле было очень много придаточных плиток, соответственно, увеличивалась и вероятность их самопроизвольного смещения. 3 ± 2. К концу игры этот показатель был всего лишь 8. Однако результата добиться все же удалось, как мы можем видеть с изображений выше. 3%.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования и экспериментов настоятельно рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Игра в крестики-нолики ДНК плитками была проведена не ради забавы, а как метод демонстрации весьма серьезного исследования, раскрывающего возможность манипулировать процессами смещения элементов в наноструктурах, построенных из ДНК.

Конечно, многое еще предстоит отшлифовать: число придаточных плиток, влияющих на конечный показатель реконфигурации, скорость протекания реакций, точность смещения, расширение возможных вариантов смещения и, конечно же, увеличения габаритов реконфигурируемой ДНК структуры.

Хранения и обработка информации, диагностика и лечение заболеваний, изучение сложных систем, в том числе и биологических — все эти процессы можно выполнять с помощью ДНК, поскольку этот невероятно малый объект скрывает в себе невероятные свойства и характеристики, которые нам еще предстоит раскрыть. Сейчас многие ученые все больше и больше внимания уделяют весьма нестандартным и нетривиальным механизмам выполнения процессов, которые уже стали стандартными.

🙂 (не знаю для кого как, но я этого не замечал раньше) Кстати, оказывается если ввести в google запрос «крестики-нолики», то можно сыграть в эту игру.

И, конечно же, пятничный оффтоп (продолжу новогоднюю тематику, если вы не против):

Немного милоты под елку 🙂

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных вам выходных, ребята.

Вам нравятся наши статьи? Спасибо, что остаётесь с нами. Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? Хотите видеть больше интересных материалов? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps до весны бесплатно при оплате на срок от полугода, заказать можно тут.

класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки? Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть