ДНК ДНК і нанотехнологіїі нанотехнології

ППро що буде йти мова???ро що буде йти мова???

Взаємодія наномолекул і ДНКВзаємодія наномолекул і ДНКВпорядкування наночастинок золота за допомогою ДНКВпорядкування наночастинок золота за допомогою ДНКБіологічні “Цеглинки” для наноконструктораБіологічні “Цеглинки” для наноконструктораСтратегії наноконструюванняСтратегії наноконструюванняНаноконструкції в діїНаноконструкції в діїСучасні досягненняСучасні досягнення

1.1. ““ДНК-машина”ДНК-машина”2.2. ““ДНК-комп”ютер”ДНК-комп”ютер”

3.3. ““Молекулярна динамо-машина”Молекулярна динамо-машина”4.4. Визначення поодиноких молекул ДНКВизначення поодиноких молекул ДНК

5.5. Детекція кокаїну з допомогою ДНКДетекція кокаїну з допомогою ДНК6.6. Визначення поодиноких молекул ДНКВизначення поодиноких молекул ДНК

Взаємодія наномолекул і ДНКВзаємодія наномолекул і ДНК

(a) Схематичне (a) Схематичне зображення інгібування зображення інгібування іі реактивації із реактивації із глутатіоном в якості глутатіоном в якості посередника при посередника при транскрипції ДНК. транскрипції ДНК. (b) Об”єм виходу РНК, (b) Об”єм виходу РНК, відносно об”єму, відносно об”єму, отриманого в отриманого в присутності MMPC при присутності MMPC при різних концентраціях різних концентраціях глутатіонуглутатіону

(a) Схематичне зображення вивільнення ДНК із MMPC (3) – ДНК (a) Схематичне зображення вивільнення ДНК із MMPC (3) – ДНК

комплексу при дії ультрафіолетового випромінювання всередині клітини. комплексу при дії ультрафіолетового випромінювання всередині клітини.

(b) Схематичне зображення трансформації під дією світлового (b) Схематичне зображення трансформації під дією світлового

випромінювання катіонного MMPC (3) в аніонний MMPC (4).випромінювання катіонного MMPC (3) в аніонний MMPC (4).

(a) MPC (5) з (a) MPC (5) з розгалуженим розгалуженим поліетиленаміном поліетиленаміном PEI2.PEI2.

(b) Введення (b) Введення PEI2 в PEI2 в наночастинки наночастинки збільшує збільшує ефективність ефективність трансфекції. трансфекції. Значення, даних у Значення, даних у дужках, показує дужках, показує відношення азоту відношення азоту PEI до фосфату PEI до фосфату ДНК. β-Gal – β– ДНК. β-Gal – β– галактозидаза.галактозидаза.

Наночастинки золота мічені Наночастинки золота мічені етидієм для вбудовування в ДНК.етидієм для вбудовування в ДНК.

Впорядкування наночастинок золота за Впорядкування наночастинок золота за допомогою ДНКдопомогою ДНК

(a) Дві наносистеми А і (a) Дві наносистеми А і В, що формують нано-В, що формують нано-сітку ДНК А - голуба, B сітку ДНК А - голуба, B - оранжева. Номер - оранжева. Номер позначає позначає комплементарні комплементарні ділянки ланцюгів. 1 ділянки ланцюгів. 1 "липне" до 1´ і т.д. "липне" до 1´ і т.д. Червоні ланцюги на Червоні ланцюги на ділянках ДНК – це A15.ділянках ДНК – це A15.

(b) Сітка ДНК, ділянки (b) Сітка ДНК, ділянки A15 розташовані на A15 розташовані на кожній точці перетину кожній точці перетину ланцюгів А і В. ланцюгів А і В.

(c) Наночастинки (c) Наночастинки золота на ДНК-сітці. золота на ДНК-сітці. Зігзаги позначають Зігзаги позначають якірні ланцюги Т15. якірні ланцюги Т15.   

Біологічні “Цеглинки” для Біологічні “Цеглинки” для наноконструкторананоконструктора

Це амінокислоти, ліпіди, нуклеотиди. Це амінокислоти, ліпіди, нуклеотиди. Такі біологічні “цеглинки” мають ряд переваг:Такі біологічні “цеглинки” мають ряд переваг: Хімічна різноманітністьХімічна різноманітність Можуть спонтанно утворювати складні просторові Можуть спонтанно утворювати складні просторові

структуриструктури РегульованийРегульований ззбір таких “блоків”, відкриває бір таких “блоків”, відкриває

можливості створення самих різних наноконструкційможливості створення самих різних наноконструкцій

Є дві основні стратегії наноконструюванняЄ дві основні стратегії наноконструювання Конструювання “крок за кроком”Конструювання “крок за кроком” Конструювання за типом “усе зразу”Конструювання за типом “усе зразу”

Липкі кінці дозволяють “склеїти” два фрагменти ДНК. Липкі кінці дозволяють “склеїти” два фрагменти ДНК. "Скле"Склеюванняювання“ відбувається за рахунок водневих зв”язків “ відбувається за рахунок водневих зв”язків між комплементарними парами азотистих основ. Місця між комплементарними парами азотистих основ. Місця

разриву цукрово-фосфатного ланцюга зшиваються разриву цукрово-фосфатного ланцюга зшиваються ферментом лігазою, і утворюється повноцінна ферментом лігазою, і утворюється повноцінна

дволанцюгова молекула ДНК (А). дволанцюгова молекула ДНК (А).

Такимож чином із фрагментів з липкими кінцями Такимож чином із фрагментів з липкими кінцями

формуються хрестоподібні структури (Б).формуються хрестоподібні структури (Б).

Американському хіміку Американському хіміку Неду Зіману вдалось Неду Зіману вдалось зробити куб з ДНК зробити куб з ДНК шляхом послідовного шляхом послідовного зшивання фрагментів. зшивання фрагментів. Спрощена схема цього Спрощена схема цього кубу показана на рисунку кубу показана на рисунку А.А.

Та побудувати Та побудувати трьохмірну трьохмірну наноструктуру, що наноструктуру, що містить у свому складі містить у свому складі молекули "гостей" (Б), молекули "гостей" (Б), методом покрокового методом покрокового синтезу поки не синтезу поки не вдалось.вдалось.

(Рисунки публ(Рисунки публiiкуються з куються з дозволу Н. Зімана.)дозволу Н. Зімана.)

Рідкий кристал у найпростішому Рідкий кристал у найпростішому випадку можна представити як випадку можна представити як структуру, що складається з площин структуру, що складається з площин які чергуються, в кякі чергуються, в кooжній з яких сжній з яких суусідні сідні молекули попри свою впорядкованість молекули попри свою впорядкованість зберігають деякі дифузні степені зберігають деякі дифузні степені свободи (А). свободи (А). У холестерика орієнтація молекул в У холестерика орієнтація молекул в послідовних шарах змінюється по послідовних шарах змінюється по спіралі. Величина P/2 - половина кроку спіралі. Величина P/2 - половина кроку спіральної структури холестерика спіральної структури холестерика (Б).(Б). У молекулах полімерів, включно з У молекулах полімерів, включно з ДНК, кристал-холестерик можна ДНК, кристал-холестерик можна зобразити у вигляді накладених зобразити у вигляді накладених решіток із гнучких стержнів (В).решіток із гнучких стержнів (В).

Холестеричну структуру легко Холестеричну структуру легко ідентифікувати по оптичних ідентифікувати по оптичних властивостях. Якщо дивитись на властивостях. Якщо дивитись на тонкий шар холестеричного кристалу тонкий шар холестеричного кристалу в поляризаційний мікроскоп, зображення в поляризаційний мікроскоп, зображення буде різним в залежності від того, яким буде різним в залежності від того, яким чином орієнтована вісь холестерика. чином орієнтована вісь холестерика. Якщо паралельно покривним Якщо паралельно покривним скельцям(а), скельцям(а),

то між перехрещеними поляроїдами то між перехрещеними поляроїдами спостерігається текстура – спостерігається текстура – періодичне чергування темних і світлих періодичне чергування темних і світлих смуг(а'), смуг(а'), А якщо перпендикулярно (б),А якщо перпендикулярно (б),

то ніякої картини нема – то ніякої картини нема – спостерігається повна темнота (б').спостерігається повна темнота (б').

Наноконструкції в діїНаноконструкції в дії

Де можна застосувати наноконструкції отримані шляхом Де можна застосувати наноконструкції отримані шляхом самозбирання? Виділимо три найбільш самозбирання? Виділимо три найбільш преспективні напрямки:преспективні напрямки:

1.1. Доставка ліківДоставка ліків2.2. БіосенсориБіосенсори3.3. Оптичні фільтриОптичні фільтри

ДНК-машинаДНК-машина У новому методі У новому методі

детекції вірусів детекції вірусів використано використано "уміння" ДНК "уміння" ДНК працювати в якості працювати в якості генетичної бази генетичної бази даних з інформацією даних з інформацією про віруси і її про віруси і її «здатність» до «здатність» до каталізу.каталізу.

(іллюстрація Getty). (іллюстрація Getty).

ДНК-комп”ютер обіграв людину у ДНК-комп”ютер обіграв людину у хрестики-нуликихрестики-нулики

MAYA-II в руках дослідника.MAYA-II в руках дослідника.

Дисплей на задньому плані Дисплей на задньому плані показує результат одної із показує результат одної із ігор в хрестики-нулики. ДНК-ігор в хрестики-нулики. ДНК-компкомп””ютер (замість нуликів ютер (замість нуликів він грав червоними точками), він грав червоними точками), как бачимо, виграв у людини как бачимо, виграв у людини (сині точки, інакше — (сині точки, інакше — хрестики)хрестики)

(фото Columbia University (фото Columbia University Medical Center). Medical Center).

Сконструйований ДНК-комп”ютерСконструйований ДНК-комп”ютер

ДНК-компДНК-комп””ютер здатний ютер здатний виконувати 330 трилвиконувати 330 трилiiонiв онiв вичислювальних вичислювальних операцоперацiiй в секунду.й в секунду.

Молекулярна динамо-машинаМолекулярна динамо-машина

Компютерне Компютерне зображення зображення наноактуатора на наноактуатора на молекулмолекулii ДНК ДНК

((iiлюстрацлюстрацiiя я iiз сайту з сайту

port.ac.uk).port.ac.uk).

Молукулярний двигун для визначення поодиноких молекул

ДНК

Схима будови такого пристрою

Етапи конструювання

I до молекул F1-АТФази, нанесених на мембрану, приеднуються молекули ДНК завдяки взамодi авiдину и бiотина

II золотi наночастинки зв’язуются з другим кiнцем ДНК

III при додаваннi iонiв магнiю i АТФ, F1-АТФаза починає обертати частинку золота

Детекція кокаїну за допомогою Детекція кокаїну за допомогою ДНКДНК

Зміна забарвлення наночастинок в залежності від концентрації кокаїну (концентрація аптамеру 10мкМ)

   КонтролКонтролii.. А) За вА) За вiiдсутностдсутностi i аптамеру колаптамеру колiiр р наночастинок не наночастинок не змзмiiнюється при нюється при додаванндодаваннii кока кокаїїну в ну в ррiiзних концентрацзних концентрацiiях. ях.

В) Аналоги кокаВ) Аналоги кокаїїну не ну не змзмiiнюють колнюють колiiр р системи. системи.

EME - екгонEME - екгонiiну ну метиловий ефметиловий ефiiр, р,

BE - бензоBE - бензоїїлекгонлекгонiiн. н.

Використання Використання дволанцюгових дволанцюгових ДНК-аптамерДНК-аптамерiiв в до аденозину до аденозину (А) чи до К+ (В) (А) чи до К+ (В) дозволядозволяєє визначати визначати присутнiсть присутнiсть аденозину (С) аденозину (С) та iонов калiю та iонов калiю (D). (D).

I на завершення…

Дякую за увагу :)Дякую за увагу :)