Российские ученые разработали алгоритм-руководство для ДНК-оригами

Сотрудники факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ имени М.В.Ломоносова совместно с коллегами из нескольких российских научных институтов и Пенсильванского университета предложили алгоритм компьютерного моделирования сложенных из ДНК трехмерных конструкций. Такие нанороботы могут использоваться в электронике и медицине, например, для доставки лекарств. Статья с результатами работы ученых опубликована в журнале Nucleic Acids Research. Исследование проходило в рамках направления «Биологическая информация» проекта «Ноев Ковчег» при поддержке Российского научного фонда (РНФ).

Технология ДНК-оригами позволяет создавать из цепочек ДНК различные конструкции, в том числе трехмерные и управляемые. Это возможно благодаря тому, что эти длинные молекулы состоят из нуклеотидов, образующих пары: аденин с тимином, цитозин с гуанином. Задавая последовательность нуклеотидов в цепочке, можно добиться того, что она будет складываться и скрепляться в нужных местах и под нужным углом.

«Нарисовать проект сложных конструкций ДНК-оригами, особенно объемных и динамических, например, коробочек для доставки лекарств, которые будут открываться и закрываться, очень сложно, потому что программа для создания таких проектов предполагает, что вы там рисуете двумерные развертки. Если проект сложный, очень легко где-то что-то напутать и сгенерировать такой проект, который просто не соберется», — объяснил аспирант факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ Артур Залевский.

Расчеты, которые требуются для создания работающего проекта, довольно масштабные. Их осложняет то, что необходимо учитывать движение большого количества (порядка миллиона) частиц и рассчитывать их попарные взаимодействия. Поэтому ученые используют упрощенную версию алгоритма, в которой группы атомов объединяются в условные частицы и описываются как единое целое, что позволяет многократно сократить размеры систем. Для разработки программы ученые использовали мощности суперкомпьютера МГУ «Ломоносов-2». 

Алгоритм показывает, сможет ли созданная по проекту конструкция в принципе свернуться и как она будет двигаться, раскрываться и закрываться. Его преимущество перед аналогичными сервисами заключается в том, что он учитывает все виды взаимодействий между частицами, лучше и полнее описывает движения элементов конструкции, показывает их более естественными.

«Ученый загружает туда файл проекта, содержащий двумерное описание системы, а на выходе получает полноценную трехмерную анимированную структуру, на которой он может посмотреть, как эта система двигается», — добавил Артур Залевский.

Чтобы оценить точность алгоритма, ученые провели серию экспериментов, рассмотрев положение и форму молекул с помощью атомно-силового микроскопа. Авторы работы сравнивали распределения конфигураций, выданные алгоритмом и полученные в ходе экспериментов. По их словам, во время этой проверки алгоритм доказал свою эффективность. 

Одно из возможных приложений технологии ДНК-оригами — использование конструкций в качестве контейнеров, которые могут адресно доставлять и высвобождать лекарственные средства. Например, с помощью таких нанороботов можно растворить тромб, не разжижая кровь во всем организме, или направить лекарства точно к клеткам раковой опухоли. Такое точечное воздействие позволяет снизить дозы лекарств и смягчить побочные эффекты. Кроме того, объекты из ДНК могут захватывать отдельные молекулы, благодаря чему можно изучать взаимодействия частиц на уровне молекул.

Фото: Этапы работы алгоритма. Источник: Роман Решетников, Артур Залевский