Začudite se sićušnim strukturama nanorazmera koje se pojavljuju iz istraživačkih laboratorija na Univerzitetu Djuk i Državnom univerzitetu u Arizoni, i lako je zamisliti da pregledavate katalog najmanje grnčarije na svetu.
Novi rad otkriva neke od kreacija timova: sitne vaze, činije i šuplje sfere, jedna skrivena u drugoj, kao kućni pribor za rusku lutku.
Ali umesto da ih prave od drveta ili gline, istraživači su dizajnirali ove objekte od molekula DNK u obliku niti, savijenih i presavijenih u složene trodimenzionalne objekte sa nanometarskom preciznošću.
Ove kreacije demonstriraju mogućnosti novog softverskog programa otvorenog koda koji je razvio Duke Ph.D. student Dan Fu sa svojim savetnikom Džonom Rejfom. Opisan 23. decembra u časopisu Science Advances, softver omogućava korisnicima da uzimaju crteže ili digitalne modele zaobljenih oblika i pretvaraju ih u 3D strukture napravljene od DNK.
Nanostrukture DNK sastavili su i snimili koautori Raghu Pradeep Naraianan i Abhai Prasad u laboratoriji profesora Hao Iana u državi Arizona. Svaki sićušni šuplji objekat nije veći od dva milioniti deo inča u prečniku. Više od 50.000 njih moglo bi da stane na glavu igle.
Ali istraživači kažu da su ovo više od pukih nano-skulptura. Softver bi mogao da omogući istraživačima da kreiraju male kontejnere za isporuku lekova ili kalupe za livenje metalnih nanočestica specifičnih oblika za solarne ćelije, medicinsko snimanje i druge aplikacije.
Za većinu ljudi, DNK je nacrt života; genetska uputstva za sva živa bića, od pingvina do topola. Ali za timove kao što su Reifov i Janov, DNK je više od nosioca genetskih informacija—to je izvorni kod i građevinski materijal.
Postoje četiri „slova“ ili baze u genetskom kodu DNK, koje se uparuju na predvidljiv način u našim ćelijama da bi formirale prečke DNK lestvice. Istraživači su prihvatili ta striktna svojstva uparivanja baza DNK – A sa T i C sa G. Dizajniranjem lanaca DNK sa specifičnim sekvencama, oni mogu da „programiraju“ niti da se sastave u različite oblike.
Metoda uključuje presavijanje jednog ili nekoliko dugih komada jednolančane DNK, dugačke hiljade baza, uz pomoć nekoliko stotina kratkih lanaca DNK koji se vezuju za komplementarne sekvence na dugim nitima i „zaklapaju“ ih na mestu.
Istraživači eksperimentišu sa DNK kao građevinskim materijalom od 1980-ih. Prvi 3D oblici bili su jednostavne kocke, piramide, fudbalske lopte — geometrijski oblici sa grubim i kockastim površinama. Ali dizajniranje struktura sa zakrivljenim površinama sličnijim onima koje se nalaze u prirodi bilo je nezgodno. Cilj tima je da proširi opseg oblika koji su mogući ovom metodom.
Da bi to uradio, Fu je razvio softver pod nazivom DNAkiS. Softver se oslanja na način izgradnje sa DNK koji je 2011. opisao Jan, koji je pre 20 godina bio postdok kod Reifa u Dukeu pre nego što se pridružio fakultetu u državi Arizona. Funkcioniše tako što namotava dugačku dvostruku spiralu DNK u koncentrične prstenove koji se naslanjaju jedan na drugi da formiraju konture objekta, kao da koristite namotaje gline za pravljenje lonca. Da bi strukture bile jače, tim je takođe omogućio da se ojačaju dodatnim slojevima za povećanu stabilnost.
Fu pokazuje raznovrsnost oblika koje mogu da naprave: šišarke, tikvice, oblike listova deteline. DNAkiS je prva softverska alatka koja omogućava korisnicima da automatski dizajniraju takve oblike, koristeći algoritme da odrede gde da postave kratke DNK „klamerice“ da spoje duže DNK prstenove i drže oblik na mestu.
„Ako ih ima premalo ili ako su u pogrešnom položaju, struktura se neće pravilno formirati“, rekao je Fu. „Pre našeg softvera, zakrivljenost oblika je činila ovo posebno teškim problemom.
Na primer, dajući model u obliku pečurke, računar izbacuje listu DNK lanaca koji bi se sami sastavili u pravu konfiguraciju. Jednom kada se lanci sintetišu i izmešaju u epruveti, ostalo se brine samo za sebe: zagrevanjem i hlađenjem mešavine DNK, u roku od samo 12 sati „ona se nekako magično savija u DNK nanostrukturu“, rekao je Reif.
Praktična primena njihovog softvera za dizajn DNK u laboratoriji ili klinici možda će biti još godinama daleko, rekli su istraživači. Ali „to je veliki korak napred u smislu automatizovanog dizajna novih trodimenzionalnih struktura“, rekao je Reif.
