Na Kemijskem inštitutu izumili način hitrega spontanega zvijanja molekulskih nanostruktur

Raziskovalci so pod vodstvom vodje laboratorija za biotehnologijo na Kemijskem inštitutu Romana Jerale zasnovali piramido iz DNK, katere stranice merijo pet nanometrov in se zelo hitro spontano zvije v želeno nanostrukturo. Za material so izbrali deoksiribonukleinsko kislino (DNK), ki je v naravi običajno nosilec dednega zapisa. Znanstveniki so namreč v zadnjih treh desetletjih pokazali, da je DNK lahko pameten gradbeni material za tvorbo popolnoma novih struktur in oblik, na primer tudi za izdelavo nanometrskega zemljevida Slovenije.

Največja prednost tega dosežka je v tem, da lahko odslej pripravljajo strukture, ki vsebujejo vozle. "Za razliko od ročnega zavezovanja vozlov v vsakdanjem življenju na nanometrski skali želimo, da se molekule zavežejo v vozle same od sebe. To lahko dosežemo tako, da v zaporedje polimerne molekule vgradimo informacijo o želeni končni strukturi in vrstnem redu križanja koncev verige, kar je novost tega dela," pojasnjujejo na Kemijskem inštitutu.

Raziskovalci Kemijskega inštituta so namreč določili pravila, ki omogočajo, da se DNK sama od sebe zavozla v želeno obliko piramide ali drugih struktur. Odkrili so, da je ključno, da na vsaki stopnji ostane prost vsaj en konec verige DNK, tako da se ta lahko kot nit uvije skozi obstoječe zanke v nastajajoči strukturi.

Vozli po Jeralovih besedah dodajo materialom dodatno trdnost in omogočajo povezovanje verig med seboj. "V naravi obstajajo proteini, ki vsebujejo vozle, vendar so dokaj redki, ker je za zavezovanje vozla potrebno vstaviti informacijo o vrstnem redu povezovanja segmentov molekule. Zato naš pristop racionalnega načrtovanja vozlov pomeni pomemben preboj na tem področju."

Avtorji raziskave menijo, da bo poglavitna uporaba te inovativne tehnologije pri načrtovanju vozlov na osnovi proteinov, kot nadaljevanje dela na proteinskih nanostrukturah, ki so jih raziskovalci Kemijskega inštituta razvili leta 2013 in rezultate objavili v reviji Nature Chemical Biology.

Umetni protein, ki so ga takrat dizajnirali in pripravili, je bil v bakterijah netopen, zato so ga morali izolirati ter pretvoriti v pravilno strukturo s počasno dializo, kar tehnološko ni tako zelo uporabno, pojasnjuje Jerala. Na podoben način pripravljajo večino struktur na osnovi DNK nanotehnologije, kar pomeni, da se takšne strukture ne morejo spontano tvoriti v celicah.

Prednost novega pristopa pa je po Jeralovih besedah v tem, da lahko dolgo molekulo sintetizirajo tudi znotraj celice, "s pomočjo mašinerije celic, ki za delovanje potrebujejo samo nekaj hrane, za razliko od kemijske sinteze."

Sinteza znotraj celic poleg prednosti za industrijsko izdelavo odpira tudi možnosti za medicinsko in biotehnološko uporabo. Prav tako je v celici lažje sintetizirati eno dolgo verigo kot 100 krajših. Prav cena izdelave in kompliciran način priprave sta dva od razlogov, da se DNA nanotehnologija doslej ni uspela uveljaviti bolj v uporabi," pojasnjuje Jerala.

Ker so vozli zelo uporabni v tehnologiji, pričakujejo, da bodo s pomočjo molekulskih vozlov uspeli pripraviti nanomateriale, ki bodo bolj trdno povezani in bodo imel druge zanimive lastnosti. "Lastnosti dizajniranih nanomaterialov, na katere ciljamo, so predvsem v smeri dostave zdravil, cepiv, enkapsulacije encimov za nanometrske reaktorje, pripravi funkcionalnih pametnih materialov, ki bodo imeli boljše mehanske in kemijske lastnosti od naravnih materialov, kot so npr. svila ali volna. Podobo kot s pomočjo vozlov tkemo vse oblike tekstila bi lahko s pomočjo samosestavljivih molekul stkali nanometrske strukture," še dodaja Jerala.

Raziskavo so objavili v reviji Nature Communications, prvi avtor publikacije pa je doktorski študent Vid Kočar, ki je pripravil načrt za štiristrano piramido, sestavljeno iz ene same verige DNK. V raziskavi je pomembno vlogo igralo tudi modeliranje, kjer sta sodelovala raziskovalca z Univerze v Oxfordu ter matematika Univerze v Ljubljani ter Univerze na Primorskem.