Первый шаг к получению функционального материала, который может воспроизводиться самостоятельно, сделали американские учёные. Они создали сложную искусственную структуру из фрагментов ДНК, которая может без ошибок воспроизводиться в течение нескольких поколений.

Об удачной попытке получить искусственный материал, обладающий уникальным свойством «живых» структур – способностью к ауторепликации, т. е. самовоспроизводство, доложила группа учёных, представляющих физический и химический факультеты, а также центр мягких магнитных материалов Университета Нью-Йорка. Результаты их работы суммируются в статье, опубликованной в журнале Nature.

Ауторепликация и комплиментарность

В живой природе ауторепликация встречается повсеместно и составляет основу жизни на нашей планете. Воспроизводят сами себя молекулы ДНК, РНК и некоторые другие сложные белковые молекулы, например энзимы. До сих пор учёным удавалось лишь искусственно воссоздать природный процесс.

Следующим ожидаемым шагом в развитии нанотехнологий и материаловедения должно было стать создание полностью искусственной структуры произвольной конструкции, способной безошибочно воспроизводить себя из окружающих химических компонентов.

Ученые из Университета Нью-Йорка смогли добиться столь желанной цели, использовав в качестве основы для своего «фертильного» материала фрагменты молекул ДНК. Как известно, ДНК состоит из четырех азотистых оснований, которые могут формировать парные комплексы с помощью образования водородных связей. Эта возможность объединяться попарно в химии называется комплиментарность. Из четырёх кирпичиков, которые, складываясь в определённой последовательности, в результате образуют молекулу ДНК, аденин комплиментарен тимину, а гуанин – цитозину.

В качестве основы для создания аутореплицирующегося материала нью-йоркские исследователи позаимствовали эту способность попарно объединяться у составляющих молекул ДНК.

На основе синтетических фрагментов ДНК они создали новую сложную искусственную молекулу. Сначала учёные создали молекулу BTX (bent triple helixes – «склеенная тройная спиральная»), где три двойные спирали с помощью водородных связей «склеены» вдоль оси и образуют что-то вроде ленты. Каждая тройная молекула BTX была затем объединена с другой такой же посредством двух перпендикулярных связок из кусочков двойной спирали. Так как, в отличие от азотистых оснований, фрагментов ДНК может быть не 4, а значительно больше, то вариаций BTX может быть составлено до 428, то есть квадрильоны. И каждая комбинация будет обладать уникальными химическими и физическими свойствами.

Три поколения в одном стакане

Именно сложная конструкция, состоящая в итоге из шести двойных спиралей, и служила «зародышевой» молекулой для демонстрации возможности искусственной ауторепликации. Для каждого фрагмента ДНК, назовём их условно A или B, использованного для сборки этой большой молекулы, была также синтезирована комплиментарная пара A' или B'. Для инициации процесса самовоспроизводства исходные молекулы помещали в химический раствор, содержащей комплиментарные ДНК-кирпичики, необходимые для постройки новых молекул. В результате к каждому фрагменту (которые мы назвали A или B) присоединялся комплиментарный фрагмент (A' или B'). В итоге получалась полностью «комплиментарная» исходной крупная дочерняя молекула.

На втором этапе в раствор снова добавляли нужных химических компонентов (на этот раз комплиментарных к A' или B' – то есть A или B) и нагревали, получая дочернюю комплиментарную молекулу. Однако исходной молекуле она была уже «внучатой», и не комплиментарной, а абсолютно идентичной. Причём сохранялись не только последовательности кирпичиков в спиралях BTX, но и общая форма и структура молекулы, то есть поставленная цель была выполнена на 100%.

Экспоненциальные надежды

Впрочем, на 100% свою цель нью-йоркские физики и химики выполнили только качественно. Количественно же выход второго, «внучатого», поколения составил лишь немногим более 30% от числа исходных молекул. Это связано с тем, что в процессе репликации происходят ошибки и в растворе появляются «мусорные» – неправильно или не полностью собранные – молекулы. И эту проблему учёным решить только предстоит.

«Это первый шаг в процессе создания искусственного самореплицирующегося материала произвольно выбранного состава, – считает Пол Чайкин, профессор физического факультета Университета Нью-Йорка, известный физик-материаловед, ученик Ричарда Фейнмана и один из соавторов исследования».

«Следующая задача состоит в том, чтобы создать процесс, в котором саморепликация происходит не только для нескольких поколений, но достаточно продолжительное время, чтобы продемонстрировать экспоненциальный рост числа молекул», – отметил ученый.

«Несмотря на то что наш метод репликации требует многократных химических и термических производственных циклов, мы продемонстрировали саму возможность реплицикации не только для таких молекул, как клеточная ДНК или РНК, но и для дискретных структур, которые могут в принципе принимать разные формы, иметь много разных функциональных признаков и объединяться с различными типами химических соединений», – добавил соавтор и коллега Чайкина с химического факультета, профессор Надриан Симэн.

У учёных уже есть несколько идей, как улучшить процесс. Например, использовать активацию светом вместо разрушающего нагревания. А добившись стабильного экспоненциального роста числа молекул, они собираются приступить к созданию функциональных материалов на основе предложенных принципов.

О наноструктурах из фрагментов ДНК, способных к самовоспроизведению

Ауторепликация и комплиментарность

Три поколения в одном стакане

Экспоненциальные надежды