DNA-konstruktioner

DNA-konstruktioner

Firuza Mamedova, Ksenia Fedosova
"Quantic" №1, 2016

Fig. 1

Du har sikkert hørt om nanoteknologi. Ved du hvad det betyder "Nano"? præfiks "Nano" dannet af det antikke græske ord vν, som oversættes som "dværg". Det indikerer, at objektet har en størrelsesorden på størrelsen af ​​et hundrede tusindedel af en millimeter. Ikke i hvert mikroskop kan du se det. Det er endnu vanskeligere at konstruere noget nyttigt fra sådanne små genstande. Og hvad nu hvis du laver disse genstande at samle dig selv? Det viser sig, at der for dette er et passende nanomateriale, som længe har været kendt fra biologi.

I hver eneste celle i vores krop er der et bestemt molekyle – DNA. Dens fulde navn er deoxyribonukleinsyre. Den indeholder alle oplysninger om vores krop. DNA'et er krypteret, for eksempel om vores øjne er grå eller blå, højden er høj eller lav, og håret er krøllet eller lige. Hver person har sit eget unikke DNA-molekyle, hvorved det kan skelnes fra andre mennesker. Desuden har hver levende organisme sit eget DNA-molekyle, for eksempel en pingvin eller en kartoffel.

Udseendet af DNA ligner en snoet helix (figur 1), der består af to tråde.Disse tråde indeholder oplysninger i form af en række specielle blokke – nukleotider. I DNA-molekylet er der kun 4 typer af disse blokke: adenin, thymin, cytosin og guanin. De er betegnet med breve. En, T, C og D. Strenge i DNA holder sammen med hinanden på grund af tiltrækningen af ​​nukleotider, der sidder på dem. Endvidere limes blokkerne til hinanden i henhold til visse regler: adenin kan kun binde til thymin og cytosin – kun til guanin. Det siges at adenin komplementær thymin og cytosin-guanin. Således, hvis vi ved, at en tråd er forbundet med den anden, så kan vi trygt sige, at der er thymin modsat adenin, cytosin modsat guanin osv. Det er ved en kæde af DNA-molekylet, vi kan helt sikkert genoprette den anden!

opgave

Anslå det mindste antal nukleotider på en menneskelig DNA-streng, idet man ved, at hver person har et unikt DNA, og at 7 milliarder mennesker lever på jorden.

beslutning

Den anden DNA-streng bestemmes unikt af den første streng, derfor er det tilstrækkeligt at estimere minimums længden af ​​en streng. På hvert sted kan være en af ​​de fire nukleotider – En, T, D eller C. Hvis længden er 16, er antallet af mulige tråde 416 = 4294967296, hvilket er mindre end syv milliarder. Dette betyder at længden er mindst 17. Faktisk er længden af ​​en persons DNA normalt flere milliarder nukleotider.

stud

Hvis to komplementære nukleotidsekvenser "sidder" på en DNA-streng, kan den bøje og holde sig sammen med sig selv og danne et "hårnål" (figur 2).

Fig. 2

Det betyder, at komplementaritet kan bruges som lim, som limer vores tråde sammen til noget interessant. Du kan endda skabe selvmonterende tredimensionale strukturer fra DNA. Et af eksemplerne vi analyserer nu.

Hedgehog grill

Tag 7 tråde af DNA (figur 3).

Fig. 3

Lad os se nærmere på den første tråd. Bemærk, at hvis vi flytter de to sidste nukleotider til begyndelsen af ​​tråden, får vi en sekvens bestående af tre identiske blokke (figur 4).

Fig. 4

Supplerende sekvens til en sådan blok er i trådene af den anden type (markeret med rødt). Så hvis den første tråd er lukket i en ring, så kan tre tråde af den anden type holde fast ved det (fig. 5).

Fig. 5

De resterende frie "haler" kan klæbe (men ikke helt) til tråde af den tredje slags, da de blå blokke er komplementære til gule og grønne til lilla (figur 6).

Fig. 6

Det er interessant at forstå, hvordan de limede tråde vil blive orienteret i rummet. Det viser sig, at alle seks "haler" vil blive rettet vinkelret på de seks ansigter i en imaginær terning, og vi vil få en "pindsvin" (figur 7).

Fig. 7

Vi bemærker en anden interessant funktion: På hver "hale" er der to frie nukleotider GA eller Indkøbscenterat disse "pindsvin" vil klamre til hinanden! Det vil sige, at seks sådanne "pindsvin" kan knytte til hver sådan "pindsvin", som vil danne knudepunktets knudepunkter. Således, hvis vi frigiver i løsningen et stort antal tråde af disse tre typer i et forhold på 1: 3: 3, så efter et stykke tid kan vi få en selvmonteret krystal fra DNA!

Robot Traveler

DNA strukturer kan laves for ikke kun at samle dig selv, men endda flytte! Sandt nok kræver det et lille hjælpelaboratorium. En af de første sådanne nanoroboter blev skabt lidt mindre end 10 år siden og var en kæde af DNA, der rejste i opløsning på en tidligere forberedt overflade. Denne nanobot bevægede sig ikke helt uafhængigt: for hvert trin havde teknikerne behov for lidt at ændre opløsningens sammensætning. Og hvordan – vi vil fortælle nu.

Kernen i bevægelsen af ​​denne robotmolekyle er en meget enkel ide. Forestil dig at vi har en streng på 10 nukleotider, for eksempel, ATGTSATGTSTT.

Til det vil vi tilføje en anden streng på fem nukleotider, der supplerer et stykke af det første: ATSGTA.

Den anden tråd fastgøres til den første. Nu vil vi lancere den tredje streng på 10 nukleotider, som vil være fuldstændig komplementær til den første streng. Hvad sker der i dette tilfælde? Den tredje tråd kommer til den første kæde bedre end den anden, så efter et stykke tid vil det tvinge ud det andet og holde sig til den første (figur 8).

Fig. 8

Det er på dette princip ("sandsynligvis vil de mest egnede tråde blive forbundet"), at nanoboten virker. Nanoboten selv består af to limede sekvenser af nukleotidkæder:

Fig. 9

Det vil gå på underlaget, hvor nukleotidstrengene er fastgjort i samme afstand (figur 10). Hver fast tråd består af tre blokke, den anden og den tredje blok er spejl-komplementære til hinanden, og den første blok er komplementær til en af ​​robotens blokke (de samme blokke adskiller sig ikke i ruge og samme farve, og de komplementære blokke adskiller sig i ruge og en farve): hver tråd er bøjet ind i en "hårnål".

Fig. 10

I starten limes roboten mellem gevind 1 og 2 (figur 11, og).For at det kan tage det første skridt, lad os slippe ind i løsningen et molekyle, som er fuldstændig komplementært til den første streng. Det vil forskyde en del af nanobottet, som vist i figur 11.

Fig. 11

Desuden vil denne pludselig løsnede del rette den tredje "hårnål" og holde sig til sin del som mere egnet (figur 12).

Fig. 12

Lad os nu frigive et molekyle, der er fuldstændig komplementært til den anden streng. Som følge heraf vil en del af vores nanobot skrælle fra den anden tråd og holde fast ved den fjerde. Gentag proceduren, du kan tvinge nanobotten til at rejse på underlaget!

Vores nanobot rejste let, men der er udviklinger, der gør det muligt at trække "belastninger", for eksempel guldmolekyler.

Så du kan ikke kun indsamle krystaller og hodilk robotter, men for eksempel kasser, der kun åbnes, når man møder en nøgle – et specielt DNA-fragment. Et molekyle, der er lagret i forvejen inde i kassen, vil ikke kunne interagere med noget, før boksen åbnes. I sådanne kasser kan du levere stoffer til menneskets målceller og væv uden en for tidlig frigivelse af "pakken".

Kunstner Artyom Kostyukevich


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: