Pocítacové modely nejkomplexnejsí 3D tvary DNA

Nový pocítacový model, který umoznuje biologickým inzenýrum navrhnout nejslozitejsí trojrozmerné 3D struktury, které se kdy vyrábejí, bere 3D DNA origami na novou úroven. Pokrok by mohl pomoci vedcum zkoumat nekteré z nejmensích biologických procesu - napríklad fotosyntézu. Mohlo by také pomoci vytvorit nové typy léku nebo RNA terapie - vznikající hranice personalizované lécby onemocnení, jako je rakovina.
Pocítacový model umoznuje biologickým inzenýrum provádet rízení na úrovni nanometru a vytváret slozité trojrozmerné tvary DNA.
Image credits: Nejvyssí rádek - Stavros Gaitanaros (MIT) & Fei Zhang (Arizona State University); Rádio dolu - Keyao Pan (MIT) a Nature Communications

V casopise Prírodní komunikace, tým výzkumníku, vcetne clenu z Massachusetts Institute of Technology (MIT), popisuje, jak navrzili pocítacový model a pouzívali jej k vytvorení komplikovaných 3D tvaru DNA, vcetne krouzku, misek a ikosahedronu, které mají struktury podobné virum.

Protoze vedci se lépe a lépe sondují a manipulují s hmotou v merítku jednotlivých atomu a uvnitr molekul - oblast nanotechnologie - tak rozsirují prílezitosti biologických inzenýru, aby pouzívali DNA jako stavební materiál nanometru.

DNA je stabilní a vedci ji mohou snadno naprogramovat zmenou posloupnosti svých stavebních prvku. Funkce DNA vsak závisí nejen na sekvencích jejích chemických podjednotek, ale také na jejich tvaru. Pred asi deseti lety zacali vedci manipulovat s DNA ve dvou rozmerech a dali vzniknout termínu "DNA origami".

Tvary 2D DNA byly vytvoreny vázáním "staplových pramenu" na "DNA lesení". Pozdeji vedci spojili tuto metodu s nanotechnologií a zacali pracovat s 3D DNA origami. To vedlo k názoru, ze 3D DNA nanostruktury by se jednoho dne mohly pouzívat k podávání léku, pusobit jako biosenzory, provádet umelou fotosyntézu a dalsí.

Cím slozitejsí je struktura, kterou lze navrhnout, tím je slibnejsí rada aplikací, které tato technologie nabízí. Díky tomuto nejnovejsímu modelu napríklad tým, který rídí MIT, verí, ze výzkumníci budou schopni vytváret DNA lesení, které zakotvují pole bílkovin, aby vytvorily nová vozidla pro RNA terapie a chromofory nebo molekuly citlivé na svetlo, aby napodobovaly fotosyntézu rostlin.

Nový model vyuzívá "presné rízení na úrovni nanometru" pro vytvárení 3D tvaru DNA

Senior autor Mark Bathe, profesor biologického inzenýrství na MIT, vysvetluje krok vpred, ze jejich studie predstavuje v oblasti 3D DNA origami:

"Obecná myslenka spocívá v prostorovém usporádání proteinu, chromoforu, RNA a nanocástic s presností nanometru pomocí DNA. Presné rízení nanometru, které máme pres 3D architekturu, je to, co je v tomto prístupu centrálne jedinecné."

Pokrok smerem k novému modelu byl pomalý a namáhavý. V roce 2011 tým vyvinul model nazvaný CanDo, který vytvoril trojrozmerné tvary DNA - ale mohl jen omezit rozsah zalozený na obdélníkových nebo hexagonálních uzavrených svazcích DNA svazku.

Tato nejnovejsí verze pouzívá nový algoritmus, který pomáhá týmu vytvorit mnohem slozitejsí struktury, nez byly dríve mozné. Muze trvat sekvence DNA skafandru a spletených pramenu a predpovídat 3D strukturu prakticky libovolných naprogramovaných DNA sekvencí.

Prof. Bathe ríká, ze predpovídání 3D struktury v modelu "je základem pro ruznorodé funkcní aplikace, které sledujeme, protoze nakonec je 3D struktura, která dává vzniknout funkci, nikoliv sekvenci DNA samotné."

Model rozdeluje sekvence DNA do "víceúrovnových krizovatek"

Nový model pracuje tak, ze resí DNA sekvence do podjednotek nazývaných "multiway junctions" - základní stavební bloky programovaných nanostruktur DNA, podobné tem, které se pri replikaci DNA prirozene tvorí. Vícenásobné krizovatky umoznují preklenutí retezcu DNA a vázání na vlákno sousední DNA spirály, kdyz se behem replikace uvolnují a tvorí nové dvojice.

Pocítacový model pak znovu sestaví rozrezanou DNA do vetsích naprogramovaných tvaru nanometru, jako jsou prstence, disky a kulové kontejnery. Re-programování sekvencí techto komponent umoznuje návrhárum DNA origami snadno vytváret slozité architektury, vcetne symetrických klecí ve tvaru ctyrsten, oktándronu a dodekedronu.

Prof. Bathe vysvetluje, ze 3D tvary DNA jsou jen "pasivní lesení". Jejich funkce pochází z ostatních molekul, které mohou být k nim pripojeny a poskytují radu aplikací.

Jedním z príkladu, kterými tým pracuje, je snaha napodobit strukturu bílkovinných lesení, která umoznuje zivým rostlinným bunkám provádet fotosyntézu. Proteinové lesení jsou obtízneji navrzeny do nanoskopických sestav - takze 3D metoda DNA origami poskytuje uzitecnou alternativu. Vedci mohou namontovat chromofory do DNA lesení, aby vytvorili klícové struktury pro fotosyntézu.

Video z MIT níze dále vysvetluje, jak nový model funguje:

DNA lesení muze prenáset drogy do bunek "bez vypnutí alarmu"

Jiné aplikace jsou také mozné - jako jsou lesení, které umoznují vedcum napodobovat bakteriální toxiny, takze mohou vytváret netoxické verze, které mohou pouzít k prenosu RNA terapií prímo do bunek.

Pouzitím struktur DNA, které nesou terapeutické prostredky, jako jsou mikroRNA, mRNA a léky proti rakovine, je mozné dostat se do bunek, aniz by doslo k spoustení mnoha poplachu nebo k degradaci bunecných stroju, vysvetluje profesor Bathe.

Tým plánuje zprístupnit svuj algoritmus verejne, aby jej mohli pouzít jiní návrhári DNA. Nejdríve chtejí model zlepsit, takze návrhári mu mohou jednoduse dát urcitý tvar a získat sekvenci, která tento tvar vytvorí.

Takové vylepsení by umoznilo skutecný 3D nanometrický tisk, kde "inkoust" je syntetická DNA, ríká tým.

Prostredky pro studii pocházejí z Úradu námorního výzkumu a Národní vedecké nadace.

Thajsko podává první prípad MERS

Thajsko potvrdilo první prípad onemocnení dýchacích cest na Stredním východe, zatímco Jizní Korea, zeme nejvíce postizená MERS mimo Arabský poloostrov, potvrzuje prípad císlo 166. Infekce s MERS-CoV - ukázané v plicní tkáni - vede k vázným akutním respiracní onemocnení, vcetne horecky, kasel a dusnost.

(Health)

Jaké jsou prínosy cerného caje pro zdraví?

Obsah Výhody Tipy na výzivu Rizika Caj je druhý nejvíce konzumovaný nápoj na svete po vode. Celý caj pochází z rostliny Camellia sinensis, ale ruzné zpusoby sklizne a zpracování produkují ruzné caje. Pro výrobu cerných caju jsou listy zvlnené, pohmozdené, válcované a plne oxidované.

(Health)