Созданы искусственные ионные каналы с использованием ДНК-оригами

Профессор Фридрих Зиммель (Friedrich Simmel) с коллегами из Мюнхенского технического университета (Германия) использовали метод молекулярной самосборки, известный как каркасы из ДНК-оригами, где нити ДНК уложены так, что образуют трёхмерные наноразмерные структуры. Нити фиксируются и закрепляются парами оснований на коротких нитях ДНК, а последовательности оснований определяют то место, где именно происходит постоянная фиксация в пространстве.

Искусственный ионный канал на основе каркасов из ДНК-оригами (здесь и ниже иллюстрации Technische Universität München).

Сложные наноскопические 3D-объекты на основе ДНК-оригами используются уже несколько лет (о чём мы усердно сообщаем; см., к примеру, здесь и здесь). Эта область по-настоящему успешна: ДНК-оригами применяли уже и при создании наноразмерных «монтажных» плат, и в онкологических исследованиях.

Природные ионные каналы, имеющиеся в клеточных мембранах абсолютно всех клеток, представляют собой белки с полостью внутри своей трёхмерной структуры. Это единственно возможный путь проникновения внутрь клеток таких ионов, как натрий, калий, кальций и хлор. Таким образом эти белковые структуры контролируют все электрические сигналы между внутриклеточным пространством и внешним окружением. Сами каналы открываются и закрываются в ответ на внешние стимулы и в ответ на потребности самих клеток.

Липидная визикула с несколькими привязанными искусственными ионными каналами (микрофото сделано с помощью просвечивающего электронного микроскопа).

Используя эту технологию, авторы работы приготовили искусственные структуры, напоминающие внешним видом грибы (сравнение с винтом или шурупом выглядит даже уместнее) и состоящие из ножки диаметром 42 нм и бочкообразной шляпки. Ножка канала проникает сквозь липидную мембрану, а шляпка фиксируется на одной из её сторон. Полученные искусственные каналы были подвергнуты серии электрохимических тестов, и в результате обнаружилась сходная с природными каналами картина поведения: искусственные каналы открывались/закрывались в ответ на внешние стимулы и обеспечивали прохождение ионов и электрических сигналов.

Успех подтолкнул учёных к созданию трёх версий искусственных ионных каналов, в которых короткие ДНК-цепи различным образом выступали за пределы центральной части. Все три «мутантных» варианта также прошли череду электрохимических испытаний, показавших, что у каждого канала есть своё время открытия/закрытия, что исключает первоначальную идею о влиянии на этот параметр только температурных флуктуаций и указывает направление дальнейших структурных исследований.

Искусственные ионные каналы потенциально могут найти применение при разработке биосенсоров и в персонализированной медицине, нуждающейся в доставке лекарств в строго определённые клетки.

Сообщение об открытии опубликовано в журнале Science.

Подготовлено по материалам Phys.Org.