Zvětšit obrázek

Umělé struktury z molekul DNA představují pravoúhlé obdélníky o straně zhruba 100 nanometrů. Každý vzor může mít 200 pixelů. Kopie origami se mohou propojovat.

Origami je staré japonské umění skládání papíru. Jeho počátky spadají až do 9. století našeho letopočtu. Skládanky se původně věšely pro štěstí k malým dárkům. V průběhu staletí se origami vyvinulo ve zvláštní formu umění. Pojem origami se ale zabydluje také ve slovníku genetiků a to ve spojení s DNA.

„DNA origami“ je technika, při níž se z oligonukleotidů (stavebních kamenů nukleových kyselin, jejichž normální funkcí je nést genetickou informaci), zhotovují umělé struktury.

Zvětšit obrázek

Úsměvné začátky "Výška" záznamu jsou pouhé 2 nanometry . (obr.: Nick Papadakis, P.W.K.R)

V běžných situacích je DNA plánem, který řídí přeskupování molekul. Podle něj vznikají složité objekty – od bakterie až po velrybu. V případě DNA origami jde o umělou DNA, která se také může měnit na složitější struktury. Nejde ale o řízení nějakých funkcí k tvorbě buněčných těl, ale jen o vytváření skládaček na principu stavebnice LEGO.

Jako tvůrci této metody bývají uváděni Paul Rothemund a Erik Winfree z Kalifornského technologického instutu. Už v roce 2006 se jim podařilo vytvořit z vlákna DNA dvojrozměrné „plátno“ o rozměru 100 nanometrů, na kterém lze vytvářet plastické vzory, například mapy. Tyto útvary se tvoří podle posloupnosti, kterou vláknu (vláknům) vědci dají při jejich vzniku. Na takové „plátno“ je možno uložit druhou vrstvu z kratších vláken, z nichž každé se připojí jen tam, kde je odpovídající „protikus“ – tedy vlákno DNA s odpovídající sekvencí dovolující se provázat prostřednictvím vazeb (adenin – tymin, guanin – cytosin) - stejně jako se spojují báze v klasické DNA dvojšroubovici. V tomto případě ale vznikají vrstvy, které jsou jakýmsi zrcadlovým obrazem té předchozí, přičemž plochy takových „zrcadel“ nemusí být shodné velikosti – to umožňuje vznik složitějších plastických struktur.
 

Jakmile je jednou dána základní vrstva, lze přidat povrchový vzor. Hrátky s mapou, sněhovými vločkami a textem již několik let naznačovaly, jak zajímavou  nanotechnologii tu máme k dispozici, a že se brzy najde cesta k jejímu využití k tvorbě chemicky, elektronicky a opticky zajímavých materiálů. 
 

DNA skládačky podle Paula W. K. Rothemunda (Nature)

Zvětšit obrázek

Hexagonální struktura je poskládána ze šesti trojúhelníkových origami. Každý z trojúhelníků má dodaný v druhé vrstvě vzor (zelené výčnělky). Podle toho lze například kontrolovat, zda při sestavování došlo ke správné orientaci trojúhelníků.

Nanotechnologie mohou přinést převrat v detekci genu v jediné buňce

Zvětšit obrázek

Schéma metody využívající dlaždic DNA origami k detekci komplementárních struktur. (Credit: Hao Yan)

Takovým příkladem je nová detekční metoda, při níž se základní DNA dlaždice stávají strukturami schopnými detekovat jiné struktury. Těmi mohou být geny (úseky DNA) anebo také jen jejich produkty (RNA). Mohou tedy sloužit jako detekční systém k odhalování funkčních genů, stejně jako k určování původců virových onemocnění podle jejich specifických sekvencí.

Jde o metodu, jež je schopna testy provádět v neuvěřitelně malých objemech a s minimální spotřebou testovaného materiálu. V objemu jednoho mikrolitru mohou být triliony DNA nanostruktur schopných detekovat příslušný gen nebo virus.
 
Synteticky připraveným a následně replikovaným vláknem DNA, které se poskládá do struktury listu, lze získat „DNA nanodestičky“. Ty pak slouží jako sondy ke zjišťování exprese cílových genů. Zda je sledovaný gen zapnutý nebo ne, se projeví tím, že se na DNA destičku naváže jeho produkt – RNA. Pokud k takovému kontaktu dojde, vazba DNA – RNA změní charakter a chování destičky. V místě pro komplementární vazbu s molekulou RNA dojde ke ztluštění, které lze snadno odečíst například opticky.  

Miniaturizace testu pomocí DNA origami si vyžaduje jeho vyhodnocení v mikroskopu. Vlevo je směs DNA nanodestiček daných do prostředí, v němž se testuje přítomnost nějakých specifických RNA sekvencí. Technika byla nazvána „DNA nanoarrays“. Vpravo je vidět výsledek testu, kde „čárový kód“ a tečky v určitých místech dávají přehled o tom, jaké ze zkoumaných RNA sekvencí (například virových) se ve vzorku vyskytly a zda došlo k vazbě.

Zvětšit obrázek

Schéma uměle vytvářených vícevrstevných DNA origami struktur

Origami míří stále ke složitějším strukturám 

Zatímco testům na zjišťování přítomnosti nějaké sledované sekvence ve zkoumaném vzorku stačí jednovrstvá DNA origami, vědci již sestavují mnohovrstvé komplikované struktury.

S umělou DNA lze dělat divy. Lze ji splétat do prostorově komplikovaných struktur. Jednotlivé vrstvy lze propojovat vertikálně pomocí křížově reagujících propojovacích můstků mezi sousedními DNA vlákny. 

Zvětšit obrázek

Nový hit v DNA origami jsou krabičky. Mají rozměry 42 krát 36 krát 36 nanometrů. Každá krabička je „utkána“ z jediného vlákna DNA. Do krabiček lze uschovat ledasco, například léčivo. (Kredit: Ebbe Sloth Andersen)
 

DNA origami připravuje stále složitější struktury. Problémem nejsou ani trubičky vyrobené z DNA. Posledním hitem, sestaveným na bázi uměle poskládaných  nukleotidů, jsou krabičky. Každá je velká přesně tak, aby se do ní vešel jeden ribozom (miniaturní buněčná elektrárna).
Tým různě zaměřených odborníků vytvořil nepatrné DNA krabičky o rozměrech strany pouhých 30 nanometrů. Tyto kontejnery lze dokonce opatřit jakýmsi zámkem a otevírat jej za pomoci genového klíče. Jde o výtvor, který by se mohl ujmout v dopravě léčiv na žádoucí místa, případně jako senzory.

Tento poslední výkřik v umění DNA origami používá stejný postup, jaký použili předchůdci. Pouze jde o tvorbu složitější struktury a tedy i o složitější postup. K tomu, aby se z jednoho vlákna podařilo sestavit stěny a následně celou krabičku, potřebovali vědci počítač. Základem bylo sestavit počítačový program, který by řekl, z jakých po sobě jdoucích sekvencí jednoho vlákna se krabičky dají poskládat. Program začal digitalizovaným modelem dlouhého vlákna DNA z fágu (fágy jsou viry napadající bakterie). Konečnou formu pak vědci získali výběrem nějakých 250 oligonukleotidů, které připevnili k DNA a poté sestavili do požadovaného tvaru.
To byla ta nejsložitější část. Jakmile ale počítač dal dohromady, jak umělé vlákno DNA sestavit, aby docházelo k jeho požadovanému poskládání, stačilo už jen jít koupit oligonukleotidy a přidat je do reakční směsi s dlouhým vláknem DNA, které sloužilo jako templát (to, které pro tvorbu krabiček navrhl počítač). Po „přisypání“ nukleotidů do reakční polévky se pak již samy součásti poskládají podle předloženého vzoru. Dojde k jakémusi „tkaní“ šesti stěn, které se poté samy pospojují do finální podoby.
Za pouhou hodinu nebo dvě se tak sám poskládá zhruba milión krabiček. Je až zarážející, jak dobře to funguje. Člen výzkumného týmu Jørgen Kjems, chemik z Aarhus University v Dánsku, své pokusy popsal slovy: „Jako byste sesypali součástky auta do jednoho pytle, zatřepali s ním a ono by se to samo pospojovalo a správně sestavilo.“    

Pohled na DNA krabičky v elektronovém mikroskopu. Kryo-elektron mikroskopie je technika, při které se pozorovaný objekt sleduje ve stavu chlazeném tekutým dusíkem nebo heliem. Jde o metodu, která zabrání zhroucení jemných struktur a která je schopná podat představu o skutečném tvaru biologických objektů.    (Autor obrázku: Ebbe Sloth Andersen)

 
Tým chce nyní přistoupit k dalšímu triku - malé krabičky hodlá „pozamykat“. Pomocí krátké sekvence, připojené k jedné ze stěn, by se mělo spojení se zbytkem krabičky dát zase otevřít. I když se v médiích píše, že by se DNA krabičky odemykaly pomocí „klíče“, ve skutečnosti se jedná spíše o jakési rozpletení místa, kde by víko krabičky bylo „přišito“. Šlo by tedy o záležitost kontaktu s jinou krátkou molekulou DNA, která místo „sešití“ nahradila. Jednalo by se tedy spíše o jakési otvírání pomocí vkládání „klínků“, které by původně pevný spoj rozvolnily.
Zamýšlené uzavírání a otvírání krabiček je třeba ještě odzkoušet. Zatím je těžké posoudit, o jak významnou technologii půjde. Nad případným novým způsobem dopravy léčiv visí i nezodpovězené otázky. Například se neví, jak se krabičky budou chovat v živém těle, ani jak dlouhá by byla jejich životnost,…
Dnes se již nanotechnologiemi s DNA zabývá hodně pracovišť. Mezi její průkopníky patří Ned Seeman z NYU, William Shih z Harvardu, Milan Stojanovic and Darko Stefanovic z Columbia State university a UNM, Hao Yan z Arizona State University, Thom LaBean z Duke, Andrew Turberfield z Oxfordu. 

Zvětšit obrázek

Léčebná nanosoučástka navržená týmem Rudy Diaze.

 
Vize budoucnosti

Zvětšit obrázek

Nanosoučástky by měly zajišťovat výpomoc při předávání elektrických impulsů v poškozených místech. Například u nemocných s porušenou míchou, v mozcích postižených sklerózou…

Soudí se, že nanosoučástky na bázi DNA origami by mohly zajišťovat přímé spojení mezi buňkami. Podle týmu vedeného profesorem Rudy Diazem z Fulton School electrical engineering se nabízí využití v oblasti neurologie.

Ohledně budoucnosti DNA origami se vědci shodují v tom, že jsme v tomto směru stále ještě jen na začátku. Počítačový program, který byl vytvořen pro tvorbu krabiček, již ale dokáže sestavit i složité tvary. Teoreticky může jít o jakoukoli strukturu, kterou si zamaneme.ˇ

Prameny: Nature, Proc. Natl Acad. Sci.,