Из нитей ДНК собрали самые маленькие в мире "крестики-нолики"

Исследователи сыграли в крестики-нолики с помощью самоорганизующейся системы из нитей ДНК (художественное изображение).

Иллюстрация Caltech.

Комплементарные нуклеотиды образуют между собой водородные связи. Так нити ДНК прикрепляются друг к другу.

Иллюстрация Caltech.

Если лишь часть нуклеотидов комплементарны друг другу, между нитями ДНК образуется непрочная связь.

Иллюстрация Caltech.

Союз Адама и Эми держится на совпадении в двух интересах.

Иллюстрация Caltech.

Эдди имеет больше общего с Эми, чем Адам.

Иллюстрация Caltech.

Эдди вытесняет конкурента, и Адам остаётся в одиночестве.

Иллюстрация Caltech.

Биологи разработали технологию, которая позволит ремонтировать наномашины, сделанные из нитей ДНК. Возможности своего детища они продемонстрировали, создав микроскопическое поле для популярной игры.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature Communications группой исследователей из Калифорнийского технологического института.

Напомним, что нить ДНК представляет собой длинную цепочку, звеньями которой являются нуклеотиды: аденин, гуанин, тимин и цитозин (A, G, T и C в международных обозначениях). В нити они могут располагаться в любом порядке.

Когда встречаются две нити ДНК, в игру вступает так называемая комплементарность. Аденин склонен образовывать водородные связи с тимином, гуанин – с цитозином. Хотя каждая отдельная связь между двумя нуклеотидами слаба, из-за огромного количества звеньев в цепи две нити ДНК прочно прикрепляются друг к другу. Так образуется знаменитая двойная спираль.

Комплементарные нуклеотиды образуют между собой водородные связи. Так нити ДНК прикрепляются друг к другу.
Комплементарные нуклеотиды образуют между собой водородные связи. Так нити ДНК прикрепляются друг к другу.
Иллюстрация Caltech.

Способность нитей ДНК прикрепляться друг к другу позволяет использовать их в качестве своего рода строительных блоков. ДНК-оригами – это способ конструирования нанообъектов, использующий это свойство.

С помощью этой технологии биологи создают причудливые конструкции, такие, например, как поезд на рельсах из ДНК. Однако до сих пор методика имела один серьёзный недостаток: созданную конструкцию было практически невозможно переделать или заменить в ней какую-то "деталь".

Авторы обошли эту трудность изящным способом. Они использовали тот факт, что связь между нитями ДНК тем прочнее, чем больше нуклеотидов комплементарны друг другу. Например, пусть есть две нити ATTAGCA и TAATACC. У них первые четыре нуклеотида комплементарны друг другу, а последние три – нет. Поэтому связь между цепочками установится только в первых четырёх парах нуклеотидов.

Если лишь часть нуклеотидов комплементарны друг другу, между нитями ДНК образуется непрочная связь.
Если лишь часть нуклеотидов комплементарны друг другу, между нитями ДНК образуется непрочная связь.
Иллюстрация Caltech.

Есть ещё одна деталь. Пусть две нити находятся в подобной частичной связи. Если одной из них встретится "более родственная душа" (больше пар нуклеотидов будут комплементарны), то последняя вытеснит "конкурентку" и займёт её место.

Авторы иллюстрируют это на примере романтических отношений. Допустим, Эми любит собак, походы, кино и пляжный отдых. Адам любит собак, походы и дегустацию вин. Они связаны любовью к собакам и походам. И до поры до времени они остаются вместе.

Союз Адама и Эми держится на совпадении в двух интересах.
Союз Адама и Эми держится на совпадении в двух интересах.
Иллюстрация Caltech.

Так продолжается, пока Эми не встречает Эдди. К несчастью для Адама, Эдди любит собак, походы, фильмы и боулинг. Эми понимает, что у неё три общих черты с Эдди и только две общие с Адамом.

Эдди имеет больше общего с Эми, чем Адам.
Эдди имеет больше общего с Эми, чем Адам.
Иллюстрация Caltech.

Женское сердце производит точный бухгалтерский расчёт, и Адам остаётся в одиночестве.

Эдди вытесняет конкурента, и Адам остаётся в одиночестве.
Эдди вытесняет конкурента, и Адам остаётся в одиночестве.
Иллюстрация Caltech.

Авторы использовали этот принцип, чтобы создать самую маленькую в мире доску для игры в крестики-нолики.

Она собирается из прямоугольных блоков или плиток, состоящих из ДНК. Каждый блок может занять только одно место в схеме, поскольку только в этой точке он хотя бы частично комплементарен своему окружению. Таким образом, плитки, предоставленные сами себе, выстраиваются в доску. На этом этапе ещё никто не сделал первого хода, и доска девственно чиста.

После этого исследователи начинают игру. Допустим, игрок хочет поставить крестик в левый верхний угол. Для этого он создаёт блок, который подходит к левому верхнему углу ещё лучше, чем стоящая там "пустая" плитка. Этот блок, заранее помеченный условным "крестиком" (на самом деле химической меткой), самостоятельно добирается в нужное место и вытесняет оттуда пустую плитку, совсем как Эдди Адама из объятий Эми.

Правда, подобная игра не может похвастаться динамичностью. Партия на поле из нескольких клеток заняла у исследователей шесть дней (к слову, победил "крестик").

Однако технология создана не для развлечения, а для ремонта и модификации наномашин.

"Если у вас спустит колесо, вы, скорее всего, просто замените его вместо покупки новой машины. Такой [простой и логичный] ручной ремонт невозможен для наноразмерных машин, – объясняет соавтор исследования Григорий Тихомиров (Grigory Tikhomirov). – Но, благодаря этому процессу перемещения плиток, который мы обнаружили, становится возможным заменять и модернизировать несколько деталей машин наноразмерной величины, чтобы сделать их более эффективными и сложными".

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о шагающем роботе из ДНК.