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.

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.

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.

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.

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

Эдди вытесняет конкурента, и Адам остаётся в одиночестве.

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.