Tic-tac-toe: demonstrasi proses terkonfigurasi rekonfigurasi struktur DNA

Para ilmuwan melakukan pesta di tic-tac-toe menggunakan DNA. Kedengarannya lucu, tapi ini hanya puncak gunung es, diguncang oleh sentuhan humor dari para ilmuwan sendiri. Bahkan, penelitian hari ini mengungkapkan metode baru untuk memantau kinetika interaksi struktur nano DNA, yang bersama-sama dapat melakukan tugas-tugas kompleks. Menggunakan DNA sebagai bagian utama dari sistem bukanlah tugas yang mudah, tetapi ini tidak menghentikan ilmuwan yang pikirannya penuh dengan ide, tetapi hati yang antusias. Jadi, bagaimana mereka mengatur untuk memindahkan blok DNA sesuai dengan pola yang diberikan, seperti yang ditunjukkan oleh penelitian, dan apa prospek teknik ini di masa depan? Untuk jawaban, kami membuka laporan grup riset. Ayo pergi.

Dasar studi

Dalam studi ini, para ilmuwan mendemonstrasikan teknik baru untuk memindahkan ubin DNA, yang didasarkan pada prinsip-prinsip sambungan pendukung dan offset cabang. Prinsip-prinsip ini mirip dengan perpindahan standar untaian DNA, tetapi ditujukan pada objek yang lebih besar, lebih tepatnya pada struktur DNA.

Teknik ini memungkinkan untuk mendapatkan kendali atas kinetika ubin DNA dan untuk mewujudkan rantai reaksi yang diinginkan dalam sistem multi-struktur. Permainan tic-tac-toe tidak dilakukan untuk bersenang-senang, tetapi untuk menunjukkan kemungkinan menggeser DNA ubin dalam urutan dan posisi apa pun.

Untuk memahami mekanisme sistem biologis, perlu untuk mempertimbangkan komponen utamanya, di antaranya struktur molekul adalah salah satu yang paling penting. DNA, sebagai molekul pembawa, dianggap sebagai salah satu bahan terbaik untuk studi dan pembuatan struktur nano yang terorganisir sendiri.

Di antara teknik-teknik yang didasarkan pada DNA, teknik origami DNA telah mendapatkan popularitas yang semakin banyak dalam beberapa tahun terakhir, memungkinkan Anda untuk membuat struktur dari DNA dari bentuk dan konfigurasi yang diinginkan.

Komponen-komponen dari origami DNA tunggal dapat diputar dan diputar sesuka Anda, tetapi sejauh ini tidak mungkin untuk mencapai interaksi yang terkontrol antara beberapa origami DNA sebagai komponen dari struktur yang lebih besar, dan karenanya lebih kompleks. Saat ini, itu hanya mungkin untuk menghubungkan / memutuskan beberapa origami DNA.

Dalam penelitian hari ini, para ilmuwan telah menunjukkan teknik interaksi origami DNA baru. Ada struktur di mana ubin DNA-origami tertanam, memindahkan ubin lain dari array umum dan menghubungkan ke struktur karena domain pengikat * di tepi ubin (titik tumpu / titik koneksi).

Binding / binding domain * - domain protein yang merupakan bagian dari rantai protein, tetapi dapat berfungsi secara terpisah darinya.

Sebagai contoh, para ilmuwan menciptakan tiga opsi konfigurasi ulang: kompetitif, berurutan, dan kooperatif. Totalitas dari "gerakan" ini (konfigurasi ulang langkah demi langkah) ditunjukkan sebagai permainan tic-tac-toe, ketika setiap pemain memiliki 9 origami DNA unik yang dapat dipindahkan dalam urutan apa pun di bidang 264x264 nm.

Formasi Genteng DNA


Struktur ubin DNA.

Sebelumnya, sebelum melakukan penelitian ini, para ilmuwan mengembangkan teknik untuk membuat ubin DNA individu. Setiap ubin di dua sisi memiliki 11 staples, masing-masing berpartisipasi dalam penumpukan.

Gambar di atas menunjukkan array 4 ubin (kiri atas), yang masing-masing terhubung ke yang berdekatan melalui tanda kurung.

Para peneliti mempertimbangkan beberapa opsi yang memungkinkan untuk membuat array yang lebih besar dengan sejumlah besar ubin. Untuk ini, secara teori, perlu bahwa koneksi antara ubin cukup lemah. Ini akan memungkinkannya untuk memecah dan membangun kembali array. Namun, pengamatan menunjukkan bahwa dimungkinkan untuk membuat array multi-ubin yang dapat dikonfigurasi ulang bahkan pada suhu ketika koneksi antara ubin harus permanen.


Rekonfigurasi ubin.

Fenomena ini memiliki dua kemungkinan penjelasan. Pertama, pembentukan ikatan terjadi pada suhu yang cukup tinggi, sementara jatuh ke kisaran suhu proses reversibilitas. Yang kedua - dimer dan trimer mengalami reaksi perpindahan, oleh karena itu, array 2x2 terbentuk ketika monomer dilepaskan. 2 salinan dari trimers juga dapat dibuat, membentuk array 2x2 melepaskan dimer.

Jika selama reaksi perpindahan tidak ada pemutusan spontan ubin, maka tidak akan ada perangkap kinetik, karena ubin akan dikumpulkan dalam konfigurasi 2x2.

Itu perlu untuk memeriksa apakah satu DNA-origami akan menggantikan yang lain dalam struktur umum, sementara tidak secara spontan mengikat dalam struktur itu sendiri. Dengan kata lain, apakah origami DNA akan menunjukkan inisiatif atau tidak. Untuk ini, dua percobaan dilakukan.


Pengalaman praktis: 2 ubin DNA (kotak) + 1 segitiga DNA, yang harus membentuk struktur umum.

Dalam percobaan pertama, 2 ubin DNA dan 1 segitiga DNA terlibat, percobaan itu sendiri dilakukan pada suhu konstan. Secara struktural, sebuah segitiga dapat memiliki domain penghubung yang sama dengan kotak, atau dapat memiliki domain penghubung tambahan yang melengkapi kotak yang berdekatan.

Dalam versi pertama percobaan, 2 kotak tetap terhubung satu sama lain, sedangkan segitiga terhubung ke salah satu kotak. Dalam versi kedua, sebuah segitiga menggantikan salah satu kotak, menggantikannya, sehingga untuk berbicara. Ini dalam praktiknya telah menunjukkan bahwa dimungkinkan untuk memodifikasi origami DNA kompleks. Tetapi sekarang kita perlu memastikan bahwa proses ini dikendalikan oleh para ilmuwan, dan tidak terjadi dengan sendirinya karena kekuatan alam.


Gambar No. 1

Jika kita berbicara tentang reaksi perpindahan dalam rantai DNA, maka di sini kita memiliki rantai dengan domain pengikat yang terhubung ke domain komplementer "bebas". Jadi kita mendapatkan struktur untai ganda di mana proses migrasi cabang terjadi ketika rantai bergerak melalui titik koneksi ( 1a ). Proses serupa terjadi dalam reaksi perpindahan DNA ubin ( 1b dan 1c ).

Dari gambar 1c, kita juga dapat melihat bahwa setiap ubin DNA terdiri dari 4 segitiga sama kaki yang dihubungkan oleh kawat gigi, yang sudah kita ketahui.

Mengenai permainan tic-tac-toe: untuk visualisasi yang lebih nyaman, proses perpindahan dan konfigurasi ulang para peserta ditandai dengan tanda silang (X) dan jari kaki (O) dengan menggunakan tanda kurung dalam dua warna berbeda. Lihatlah lebih dekat pada gambar No. 1, X (hitam) dan O (putih) yang terlihat di ubin.

Kinetika Reaksi Pemindahan DNA Ubin

Dengan kata sederhana, mendapatkan kendali atas kinetika suatu proses perlu membuat beberapa reaksi lebih cepat dan yang lain lebih lambat. Dengan cara ini, bergabung, memutuskan sambungan dan mengkonfigurasi ulang ubin dapat dicapai. Tetapi Anda perlu menentukan rentang kinetika yang memungkinkan ini dilakukan. Untuk melakukan ini, para ilmuwan menciptakan titik koneksi (antara ubin) dengan kekuatan yang berbeda, sehingga, dari penggandengan.

Jumlah staples pada konektor dalam domain migrasi cabang sama untuk semua ubin. Tapi di sini domain domain referensi (dasi) poin bervariasi dari 0 hingga 4 ( 1d ).

Percobaan melibatkan ubin utama (semua 4 titik komunikasi adalah "aktif") dan ubin aksesori (jumlah titik koneksi bervariasi dari 0 hingga 4). Pada akhir domain migrasi cabang, 2 pasang staples dimodifikasi dengan fluorofor dan quencher. Jika ubin aksesori tetap berhubungan dengan ubin utama, maka fluorofor akan padam, yang akan menyebabkan sinyal fluoresens rendah. Tetapi jika ubin aksesori (dengan damper) terputus, sinyal fluoresens akan menguat. Dengan demikian, akan mungkin untuk menentukan bagaimana proses berlangsung.

Sehari kemudian, adalah mungkin untuk menarik kesimpulan pertama dari pengamatan. Para ilmuwan mencatat bahwa lintasan neon dari ubin aksesori dengan 0 tanda kurung tetap tidak berubah. Juga dicatat bahwa ubin dengan panjang yang sama dari tulang rusuk penghubung, tetapi dengan sejumlah besar titik koneksi, menunjukkan kinetika yang jauh lebih cepat. Sangat mengherankan bahwa titik-titik koneksi dengan staples dengan 1-nukleotida dan 2-nukleotida menunjukkan tingkat kejenuhan yang sangat berbeda (saturasi).

Gambar 1e menunjukkan model matematika yang digunakan untuk estimasi numerik kinetika. Para ilmuwan sendiri mengatakan bahwa model ini sangat sederhana dan sering digunakan untuk menilai kinetika dalam reaksi perpindahan rantai DNA, dan karenanya juga cocok untuk ubin DNA.

Analisis komparatif simulasi ( 1f ) (reaksi tersimulasi) dan percobaan memungkinkan untuk menentukan parameter yang mempengaruhi proses rekombinasi ubin DNA.

Pertama-tama, para ilmuwan mencatat bahwa kecepatan bergabung ubin adalah 10-100 kali (tergantung pada panjang tepi ubin bergabung) kurang dari kecepatan bergabung dengan untai DNA. Suatu hal yang umum antara proses perpindahan ubin dan benang adalah bahwa dengan peningkatan jumlah nukleotida pada titik koneksi, laju peluruhan menurun secara eksponensial. Pada saat yang sama, kecepatan ini 40 kali lebih rendah untuk ubin dibandingkan untaian DNA. Perpindahan total maksimum untuk ubin DNA (laju reaksi) adalah 4,5x10 ⁵ M ^-1 * s ^-1 . Jika konsentrasinya rendah (<50 nM), maka laju ikatan bimolekul akan membatasi laju perpindahan ubin. Jika konsentrasinya lebih dari 50 nanomol, maka laju perpindahan monomolekul akan membatasi laju perpindahan ubin.

Selanjutnya, para ilmuwan melakukan beberapa percobaan yang menggambarkan 3 jenis utama konfigurasi ulang: kompetitif, berurutan dan kooperatif. Dan sekarang mari kita lihat hasil percobaan untuk masing-masing secara lebih rinci.

Konfigurasi ulang yang kompetitif

Untuk mencapai konfigurasi ulang yang kompetitif, para ilmuwan mengusulkan penggunaan fungsi sigmoid sebagai respons terhadap konsentrasi sinyal, sehingga memperoleh sistem konfigurasi ulang berdasarkan informasi. Fungsi ini merupakan elemen penting dari perhitungan logika digital dari proses perpindahan untai DNA, oleh karena itu dapat diterapkan pada ubin DNA juga.


Gambar No. 2

Untuk menunjukkan "kerja" dari fungsi sigmoid, para ilmuwan menciptakan 2 reaksi perpindahan ubin bersaing yang diaktifkan oleh ubin bawahan yang sama. Perbedaan kecepatan mereka ( 2a ).

Pada ubin aksesori, titik koneksi adalah empat staples 2-nukleotida. Diharapkan bahwa itu akan terhubung dengan titik tautan yang sesuai dan dengan empat staples 1-nukleotida. Laju reaksi ubin aksesori berbeda 18 kali. Ketika konsentrasi ubin aksesori kurang dari 2 nM, reaksi yang lebih cepat ( 2b ) dipicu. Jika konsentrasi lebih besar dari 2 nM, reaksi yang lebih lambat dimulai.

Setelah 24 jam, ditemukan bahwa hasil dari reaksi yang lebih cepat meningkat secara linear, dan hasil dari reaksi yang lebih lambat menunjukkan fungsi sigmoid ( 2c ).

Konfigurasi ulang berurutan

Mengikuti konfigurasi ulang kompetitif konsisten. Tipe ini jauh lebih rumit, tetapi memberikan kontrol lebih besar atas prosesnya, kecuali tentu saja semuanya berhasil.

Jadi, para ilmuwan menciptakan array 2x2 di mana sub-ubin pertama menggantikan ubin lain, membebaskan titik koneksi yang sebelumnya digunakan. Selanjutnya, struktur bawahan kedua dari 2 ubin menggeser 2 ubin dari array. Semacam perpindahan kaskade ( 3a ).


Gambar No. 3

Para ilmuwan telah memperhatikan bahwa perpindahan di sudut ubin lambat, sekitar 100 kali lebih lambat daripada di tepi ubin lainnya. Oleh karena itu, kondisi perpindahan antara seperti itu harus diperhitungkan untuk prosedur konfigurasi ulang yang lebih kompleks.

Pada gambar 3b kita dapat melihat hasil percobaan yang cukup berhasil dengan konfigurasi ulang berurutan (kurva oranye).

Dan sekarang ada lebih banyak kreativitas dari para peneliti. Perhatikan gambar di atas ( 3b ): array yang bereaksi terhadap ubin bawahan pertama, tetapi tidak ke yang kedua, pada akhirnya terlihat seperti "wajah sedih". Tetapi array, di mana koneksi dengan kedua ubin bawahan berhasil, terlihat seperti "wajah tersenyum". Dan Anda berkata, para ilmuwan tidak memiliki selera humor.

Menurut para ilmuwan, semakin kompleks struktur peserta reaksi, semakin rumit proses rekonfigurasi itu sendiri, tetapi semakin menarik hasilnya. Penggunaan dua jenis peserta (array 2x2 dan struktur dua ubin) menunjukkan hasil berikut pada efisiensi perpindahan setelah 48 jam pengamatan: 83,3 ± 9,8% dan 90,5 ± 6,1%. Dengan kata lain, reaksi perpindahan sangat baik. Ada beberapa kesalahan, tetapi tidak signifikan.

Percobaan dengan konfigurasi ulang berurutan memungkinkan tidak hanya untuk memahami prinsip-prinsip dasar dari urutan poin komunikasi dan "kaskade" reaksi, tetapi juga menunjukkan fitur-fitur baru. Sistem ini mampu merespons lebih dari 1 sinyal yang menunjukkan instruksi mana yang memerlukan eksekusi dan apa yang tersedia untuk ini. Sinyal ini disajikan dalam percobaan dalam bentuk dua jenis struktur bawahan. Bahkan jika struktur bawahan pertama bersentuhan dengan pangkalan lebih awal dari yang kedua, struktur masih menunjukkan konfigurasi ulang yang diharapkan.

Proses-proses ini sebagian besar berjalan sendiri. Para ilmuwan hanya sedikit mengendalikannya, tetapi tidak mengintervensi secara penuh. Langkah selanjutnya dalam percobaan adalah meningkatkan kontrol atas proses konfigurasi ulang dan mempelajari kemungkinan pemrograman proses ini.

Konfigurasi ulang kooperatif

Dalam percobaan ini, ada 2 ubin aksesori yang terhubung ke dua tepi array 2x2 ( 3s ). Jika hanya ada satu ubin, maka itu harus pindah ke tengah array. Selain itu, tidak adanya ubin kedua memungkinkan Anda untuk membalik proses, sehingga berulang kali melepaskan ubin aksesori dari array. Di hadapan kedua ubin bawahan, dua proses migrasi cabang muncul segera, yang menyatu di tengah array, dan sebagai hasilnya kami memperoleh perpindahan kooperatif.

Pengalaman dengan fluoresensi menunjukkan bahwa jika hanya ada satu ubin bawahan, sinyal fluoresensi sangat lemah, tetapi diperkuat jika kedua ubin ada ( 3d : kurva biru dan hijau - sinyal lemah, sinyal kuning - kuat).

Seperti pada percobaan sebelumnya, array yang berinteraksi hanya dengan 1 ubin bawahan ditandai sebagai "wajah sedih", dan array dan kedua ubin itu "wajah tersenyum". Selain itu, yang terakhir terbentuk di 68,0 ± 7,7% dari kasus.

Tic Tac Toe

Dan akhirnya, percobaan "tic-tac-toe". Dalam percobaan ini, array 3x3 digunakan, yang memungkinkan untuk 9 reaksi perpindahan ubin unik dalam urutan apa pun ( 4a ).


Gambar No. 4

Eksperimen ini adalah kombinasi dari beberapa jenis reaksi sekaligus: perpindahan ubin sudut, perpindahan ubin tepi dan perpindahan yang sentral. Sepanjang perimeter array antara setiap ubin yang berdekatan adalah satu titik koneksi, total 8 titik tersebut. 4 dari mereka berpartisipasi dalam perpindahan ubin sudut, ketika ubin aksesori dengan titik koneksi yang sesuai bersentuhan dengan ubin tepi di dekat sudut. Pada saat ini, cabang bermigrasi di dalam tepi ubin dan melalui sudut 90 °, dan ubin sudut yang sebelumnya terhubung ke array dilepaskan dan diintegrasikan ke dalam array itu sendiri (di dalam array ketika sebelumnya di tepi). 4 titik pengikat lainnya digunakan untuk mengaktifkan perpindahan ubin tepi.

Hal yang paling sulit dalam percobaan ini adalah memulai perpindahan ubin pusat, karena terbatasnya jumlah titik komunikasi yang tersedia. Oleh karena itu, 4 poin tambahan ditambahkan antara ubin pusat dan semua ubin tetangga ( 4a ).

Pengamatan menunjukkan hasil yang sangat baik. Semua sub-ubin tertanam dalam array, yang dibangun kembali seperti yang telah direncanakan para ilmuwan. Persentase konversi dalam array adalah sebagai berikut: 78,4 ± 6,0% untuk perpindahan ubin sudut, 52,8 ± 6,0% untuk perpindahan ubin tepi dan 100% dari yang ubin tengah.

Dan sekarang kita beralih langsung ke permainan itu sendiri, yang menggabungkan semua jenis reaksi dalam bentuk kaskade. Papan permainan adalah array 3x3, semua ubin "bersih", artinya, mereka tidak ditandai dengan cara apa pun.

Masing-masing pemain, di antaranya ada 2 secara alami, diterima di pembuangan mereka 9 ubin bawahan ditandai "X" dan "O". Bergerak dalam game ini menambahkan ubin ini ke ruang uji dengan interval 24 jam (batch panjang tic-tac-toe, bukan).


Peragaan video memainkan tic-tac-toe menggunakan ubin DNA.

Pengamatan ( 4b dan 4c ) menunjukkan bahwa lapangan bermain bereaksi terhadap semua gerakan, yaitu, konfigurasi ulang berlangsung sesuai dengan instruksi dari para pemain (menambahkan ubin bertanda).

Seluruh masalah adalah bahwa pada akhir permainan di lapangan ada banyak ubin aksesori, masing-masing, kemungkinan perpindahan spontan mereka meningkat. Dengan demikian, keakuratan konfigurasi ulang juga berkurang. Pada akhir pertandingan, indikator ini hanya 8,3 ± 2,3%. Namun, hasilnya masih tercapai, seperti yang bisa kita lihat dari gambar di atas.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian dan eksperimen, saya sangat menyarankan agar Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Permainan ubin DNA tic-tac-toe tidak dilakukan untuk bersenang-senang, tetapi sebagai metode untuk menunjukkan studi yang sangat serius, mengungkapkan kemampuan untuk memanipulasi proses perpindahan elemen dalam struktur nano yang dibangun dari DNA.

Tentu saja, masih banyak yang harus dipoles: jumlah ubin aksesori yang mempengaruhi tingkat akhir konfigurasi ulang, laju reaksi, keakuratan perpindahan, perluasan opsi pemindahan yang mungkin, dan, tentu saja, peningkatan dimensi struktur DNA yang dapat dikonfigurasi ulang.

Sekarang, banyak ilmuwan memperhatikan mekanisme yang sangat tidak standar dan tidak sepele untuk melakukan proses yang sudah menjadi standar. Penyimpanan dan pemrosesan informasi, diagnosis dan pengobatan penyakit, studi sistem yang kompleks, termasuk yang biologis - semua proses ini dapat dilakukan dengan menggunakan DNA, karena objek yang sangat kecil ini menyembunyikan sifat dan karakteristik luar biasa yang belum kami ungkapkan.

Omong-omong, ternyata jika Anda memasukkan permintaan "tic-tac-toe" di google, maka Anda dapat memainkan game ini. :) (Saya tidak tahu bagaimana caranya, tapi saya belum pernah memperhatikan ini sebelumnya)



Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami temukan untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server?(pilihan tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga musim semi gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah?Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?