Apakah Anda ingin membuat model DNA Anda sendiri, blok bangunan dasar kehidupan? Kemudian lepaskan pencipta batin Anda dan buat model DNA dari tanah liat polimer atau kawat manik-manik untuk membuat model yang pasti akan menempati posisi pertama di pameran sains mana pun.
Metode 1 dari 2: Membuat Model Tanah Liat
- Jika Anda berencana untuk memamerkan model Anda di sebuah pameran, siapkan stand tempat Anda dapat meletakkannya. Ini bisa berupa papan kayu kecil dengan batang keluar dari tengahnya, tempat untaian DNA akan dipasang.
- Setelah Anda selesai membentuk lempung polimer, Anda harus memanggangnya, jadi pastikan Anda juga memiliki oven yang berfungsi.
- Untuk memberikan dukungan tambahan pada model DNA, Anda dapat menggunakan kabel fleksibel di dalamnya.
Buat dua helai panjang untuk membentuk heliks ganda. Pilih tanah liat polimer dengan salah satu warna pilihan Anda dan gulung menjadi dua bagian dengan panjang 30 sentimeter dan tebal satu setengah sentimeter. Mereka akan membentuk untaian samping DNA, sehingga perlu dipastikan kekuatannya agar bagian lain dapat melekat dengan aman pada untaian tersebut.
- Untuk menambah stabilitas ekstra pada model, Anda dapat melilitkan tanah liat di sekitar dua potong kawat fleksibel yang panjang.
- Anda bebas mengubah ukuran untaian model DNA Anda agar sesuai dengan semua kebutuhan Anda. Untuk membuat model yang lebih pendek, cukup kurangi ukuran untaian heliks ganda.
Tambahkan gula dan gugus fosfat. Untai heliks ganda DNA terdiri dari dua jenis kelompok: gula dan fosfat. Gunakan salah satu tanah liat polimer berwarna Anda untuk membentuk gugus fosfat pada heliks ganda.
- Giling tanah liat dengan warna yang Anda pilih untuk gugus fosfat sampai rata. Potong sebidang tanah liat dengan panjang dan lebar satu setengah sentimeter.
- Mulai dari bagian bawah strip panjang heliks ganda, bungkus potongan tanah liat fosfat datar di sekitar untaian.
- Pastikan mereka ditekan dengan baik ke dalam benang spiral dan tidak akan jatuh.
- Lewati di antara potongan-potongan tanah liat fosfat pada seutas benang satu setengah sentimeter dari ruang kosong. Ruang kosong di untaian heliks ganda mewakili kelompok gula.
- Lanjutkan bergantian tanah liat gula dan fosfat dengan jarak satu setengah sentimeter sampai Anda menyelesaikan kedua helai heliks ganda.
Ini adalah empat basa nitrogen yang membentuk untai DNA: sitosin, guanin, adenin, dan timin. Mereka membentuk anak tangga "tangga" di antara dua helai heliks ganda. Pilih satu warna tanah liat polimer untuk masing-masing dari empat basa.
- Gulung tanah liat dari setiap warna menjadi potongan-potongan dengan panjang satu setengah sentimeter dan lebar setengah sentimeter. Gunakan pisau untuk memotong tepi dan menghaluskan permukaan.
- Hitung jumlah gugus gula yang Anda buat pada untaian heliks ganda. Ini adalah jumlah pasangan basa yang perlu Anda buat.
- Bagilah warna Anda berpasangan menjadi kelompok yang sesuai. Sitosin dan guanin harus selalu bersama (dalam urutan apa pun), begitu pula timin dan adenin.
- Jika Anda ingin membuat basa nitrogen Anda lebih stabil, potong kawat fleksibel dengan panjang sekitar dua setengah sentimeter dan gunakan sebagai bagian tengah dari alas tanah liat.
- Gabungkan pasangan bunga dengan mencubit tepi potongan satu setengah sentimeter Anda. Setelah potongan berwarna bergabung di tengah, gulung dengan lembut menjadi satu bagian tanah liat yang halus dan padat.
Pasang basa nitrogen ke heliks ganda. Setelah Anda membuat semua basa nitrogen sepanjang 2,5 cm, Anda harus menempelkannya ke heliks ganda.
- Mulailah dengan grup pertama pada heliks ganda. Gunakan potongan tanah liat kecil seukuran kacang polong yang warnanya sama dengan kelompok gula.
- Tempelkan salah satu basa nitrogen ke gula menggunakan sepotong kecil tanah liat. Jepit potongan tanah liat dan ratakan ujungnya dengan menggulungnya dengan jari Anda.
- Akan paling mudah untuk menempelkan semua potongan basa nitrogen pada satu sisi saja dari salah satu untaian heliks ganda. Kemudian, ketika semua basa 2,5 cm keluar dari satu helai heliks ganda, tempelkan helai kedua ke sisi yang berlawanan.
- Pastikan semua bagian terpasang dengan kencang. Jika Anda telah memasukkan basa nitrogen ke dalam kawat, Anda dapat menempelkan ujung kawat ke dalam untaian heliks ganda untuk mengamankannya dengan lebih baik.
Tekuk heliks ganda. Untuk memberikan model DNA Anda bentuk heliks klasik, pegang kedua ujung heliks ganda Anda dan putar berlawanan arah jarum jam.
Panggang model Anda. Ikuti petunjuk pada kemasan tanah liat polimer, lalu panggang model Anda untuk mengeraskannya.
- Jika Anda memiliki kertas lilin, panggang model di atasnya agar model tidak menempel di loyang.
- Selalu biarkan model menjadi dingin sebelum menariknya keluar, jika tidak, Anda dapat membakar diri sendiri.
Setelah model dipanggang dan didinginkan, pamerkan hasil kerja Anda! Gantung dari langit-langit dengan tali pancing, atau tempelkan ke dudukan kayu.
Membeli bahan dan alat. Untuk membuat model DNA dari tanah liat, pertama-tama Anda harus membeli tanah liat yang Anda suka. Anda dapat membuat model jika Anda memiliki setidaknya enam warna tanah liat polimer, serta alat yang akan digunakan untuk mencetak tanah liat (misalnya, pisau plastik atau penggilas adonan).
Metode 2 dari 2: Membuat Model dengan Kawat dan Manik-manik
Kumpulkan bahan. Untuk proyek ini, Anda memerlukan beberapa meter kawat fleksibel, pemotong kawat, dan manik-manik pilihan Anda.
- Jika Anda ingin meningkatkan tingkat kualitas model Anda, Anda dapat menggunakan besi solder untuk menempelkan bagian satu sama lain dengan kuat.
- Anda bisa menggunakan manik-manik apa saja, tetapi manik-manik kaca akan membuat model terlihat lebih cantik. Jika suka, Anda bisa menambahkan manik-manik sebagai pengatur jarak antar manik-manik yang lebih besar.
- Untuk mencocokkan ukuran model yang diinginkan, Anda membutuhkan manik-manik dalam jumlah yang cukup setidaknya enam warna.
- Jika Anda akan memajang model Anda, buatlah penyangga dari kayu yang dapat Anda tempelkan pada model Anda.
Buat heliks ganda. Ini terdiri dari dua helai samping panjang yang menahan seluruh molekul DNA dan membentuknya seperti tangga. Potong dua potong kawat dengan panjang yang sama. Potongan-potongan ini akan berfungsi sebagai tulang punggung model DNA, jadi pilihlah panjangnya tergantung pada panjang keseluruhan model.
- Pilih manik-manik dengan dua warna dan tempelkan satu ke setiap ujung kawat. Lewatkan kabel melalui manik untuk kedua kalinya, buat lingkaran di ujung kabel. Ini akan mencegah manik-manik terlepas.
- Pasang manik-manik dua warna secara bergantian ke kawat. Kedua warna mewakili gugus gula dan fosfat yang membentuk bagian terpanjang dari heliks ganda.
- Anda dapat merangkai satu atau banyak manik-manik dari setiap warna, tetapi pastikan Anda memiliki jumlah manik-manik yang sama dari setiap warna dari keduanya pada kawat.
- Lakukan hal yang sama untuk bagian kedua dari kawat heliks ganda, berhati-hatilah untuk mencocokkan warna kedua manik-manik (gula dan fosfat) pada dua helai kawat yang bersebelahan.
- Sisakan 2,5 cm ruang kosong di atas kawat sehingga Anda dapat memasang "anak tangga" ke celah di antara manik-manik.
Tambahkan "anak tangga". Hitung jumlah gugus gula yang Anda buat pada heliks ganda, lalu potong kawat sepanjang 2,5 sentimeter dengan jumlah yang sama.
- Bungkus ujung seutas kawat di sekitar heliks ganda manik gula. Lakukan ini untuk semua potongan kawat sehingga Anda memiliki untaian heliks ganda lengkap dengan potongan kawat yang mencuat darinya.
- Jika Anda ingin membuat model DNA yang lebih dekoratif dan tahan lama, gunakan besi solder untuk menyolder potongan kawat ke untaian heliks ganda.
Membuat basa nitrogen. Pilih empat warna lain dan berikan masing-masing basa nitrogen. Guanin dan sitosin selalu berpasangan, begitu pula timin dan adenin.
- Untuk mengisi setiap potongan kecil kawat, kemungkinan besar Anda membutuhkan banyak manik-manik, jadi saat memasang manik-manik ke kawat, pilih jumlah yang sama untuk setiap basa nitrogen.
- Pastikan Anda menghormati pengelompokan pasangan manik-manik. Selalu rangkai sitosin dan guanin, serta timin dan adenin. Namun, Anda dapat menempatkannya dalam urutan apa pun dan membuat beberapa pasangan lebih banyak dari yang lain.
Rangkai basa nitrogen Anda. Setelah Anda memisahkan semua manik-manik Anda, letakkan di cabang kawat yang keluar dari untaian heliks ganda. Pastikan untuk menyisakan 1,5 sentimeter di ujung kawat untuk memasangnya ke untaian heliks ganda lainnya.
Pasang untai kedua heliks ganda. Dengan menambahkan semua manik-manik basa nitrogen, siapkan dan pasang untaian kedua dari heliks ganda. Arahkan sisi untuk memantulkan basa nitrogen pertama dan pasang potongan kawat.
- Anda dapat membungkus potongan-potongan kawat di sekitar heliks ganda menggunakan tang hidung jarum. Pasang potongan-potongan kecil kawat ini di tempat yang sama seperti yang Anda lakukan untuk untaian heliks ganda yang berlawanan.
- Jika bisa, gunakan besi solder untuk menyolder potongan kawat terakhir menjadi satu, membuat model terlihat lebih halus.
Tutup ujung pola. Untuk mencegah manik-manik jatuh dari model, putar kawat di setiap ujung untaian heliks ganda menjadi satu lingkaran. Anda juga bisa menyolder kawat menjadi simpul agar manik-manik tidak berantakan.
Tekuk heliks ganda. Untuk membuat bentuk heliks klasik dari untaian DNA, pegang ujungnya dan putar perlahan berlawanan arah jarum jam.
Pamerkan model Anda. Setelah Anda menambahkan semua sentuhan akhir, model Anda selesai! Gantung dari gantungan atau langit-langit, atau tempelkan ke dudukan kayu dengan kawat atau lem. Tunjukkan karyamu kepada semua orang!
- Jika Anda menggunakan oven atau besi solder untuk membuat model DNA Anda, berhati-hatilah agar diri Anda tidak terbakar.
- Kedua metode ini terlalu sulit untuk anak-anak, jadi jika Anda membuat model untuk proyek sekolah, pastikan pembantu Anda cukup umur untuk tidak melukai diri sendiri saat mengerjakan materi.
Banyak orang mungkin tahu betapa mudah dan sederhananya mereplikasi bagian dari DNA mereka sendiri. Prosesnya pada dasarnya sederhana. Tapi berapa banyak lisps yang antusias dari serial "oh, betapa dia terlihat seperti ayah / ibu!". Namun, tugasnya menjadi jauh lebih rumit ketika Anda perlu membuat semacam model DNA abstrak di atas meja Anda dari bahan improvisasi.
Untuk apa itu perlu bagi saya, tanyakan? Sangat sederhana. Putri saya di sekolah memiliki mata pelajaran yang mirip dengan "biologi" di sekolah Rusia. Oleh karena itu, para siswa diberikan proyek rumahan, yang tidak hanya mencakup memperoleh pengetahuan teoritis tentang struktur DNA, tetapi juga membuat modelnya. Dengan model ini, maka Anda perlu berbicara dengan guru dan kelas, menceritakan apa yang ada di dalamnya dan bagaimana caranya.
Secara umum, ini bukan postingan "saya". Dia lebih berdedikasi untuk putrinya. Meskipun saya mengambil bagian dalam proses tersebut, pada dasarnya partisipasi ini bermuara pada konsultasi ... Namun, tiba-tiba seseorang akan tertarik atau, tiba-tiba, seseorang di sekolah akan meminta seorang anak untuk melakukan hal serupa. Inilah panduan yang sudah selesai.
Sesuai dengan kondisi masalah, model harus memenuhi persyaratan tertentu. Menariknya, siswa sendiri yang bisa memilih syarat apa yang akan dia penuhi. Setiap poin presentasi "memuat" sejumlah poin kredit tertentu. Karenanya, Anda dapat mengikuti jalur sederhana dan mencetak skor kelulusan minimum tertentu atau mencoba menerapkan "program maksimum".
Pernyataan awal masalah:
Sama seperti mengikuti tugas, tidak harus persis modelnya. Itu bisa apa saja - dari buku dengan cerita hingga teka-teki. Hal utama adalah ia memiliki beberapa representasi fisik. Secara terpisah, diketahui bahwa jika siswa memutuskan untuk membuat model, maka dilarang menggunakan store set yang sudah jadi. Seperti ini misalnya.
Putrinya memutuskan untuk membuat model dan mencoba mengambil poin sebanyak-banyaknya. OKE.
Kami mulai dengan model komputer... Saya sebenarnya bukan tukang las sungguhan. Artinya, secara umum, saya tahu apa itu DNA, terdiri dari apa dan bagaimana biasanya menggambarkannya. Tidak lagi. Oleh karena itu, sejak langkah pertama, sang putri mengambil inisiatif. Dia bisa menjelaskan kepada saya terdiri dari apa dan apa yang melekat pada apa.
Itu keluar seperti ini:
Ketika menjadi jelas suku cadang apa yang kami butuhkan, kami pergi berbelanja Anda membutuhkan: dua ukuran bola busa, batang kayu, cat, lem, dan selembar MDF untuk dudukan.
Oh ya ... Anda pasti membutuhkan Anjing:
Sejujurnya, saya sendiri tidak terlalu mengerti untuk apa Anjing itu, tapi dia sendiri cukup percaya diri akan hal ini untuk kita semua. Nyatanya, dia hanya ikut campur ... Tapi mungkin saya salah paham tentang sesuatu.
Bola styrofoam dibeli di toko "dolar". Di bagian "segalanya untuk pesta". Saya bahkan tidak ingin mencoba memahami bagaimana bola styrofoam dapat digunakan dalam konteks pesta. Tapi ada baiknya mereka ditemukan. Ini adalah momen kami yang paling bermasalah. Penting untuk menemukan bola yang mudah diproses. Misalnya, manik-manik kaca tidak akan berfungsi - Anda akan bosan mengebor. Kayu ... Pada prinsipnya, mereka akan cocok. Untuk saya. Tetapi putri saya harus bekerja, dan saya ragu dia akan mampu melubangi bola kayu secara merata dengan bor tangan seperti itu. Setengah sembelit karena kebiasaan. Dan harganya cukup mahal. Diperlukan bahan yang lebih lembut dan lebih murah. Busanya pas sekali.
Bilah kayu dibeli di toko bahan bangunan. Batang-batang ini adalah sepupu yang lebih tipis dari yang saya gunakan untuk mendekorasi tempat tidur dan nakas. Tidak ada masalah dengan ini. Mereka selalu tersedia dalam berbagai variasi di semua toko perangkat keras.
Cat/lem - sepele. Kami mengambil cat biasa di aerosol. Awalnya mereka mencoba salah satu bola - catnya tidak memakan busa. Karenanya, kami membeli jumlah bunga yang tepat. Lem - PVA biasa.
Saya sudah memiliki panel MDF untuk dudukan di lemari. Anda bisa mulai bekerja.
Berdiri dulu. Putri saya mengikuti saran saya dan mencetak template pada printer, yang dia tempelkan pada selembar MDF:
Pilihannya adalah menemukan cawan dengan diameter yang sesuai dan menggambar lingkaran di atasnya. Tapi aku bisa meyakinkannya bahwa jalan seperti itu bukanlah jalan seorang samurai. Siapa, jika bukan saya, yang tahu bahwa kami tidak memiliki piring dengan diameter yang sesuai dengan tepi yang rata di pertanian - semuanya dengan tepi bergelombang. Kami sudah berenang - kami tahu :-)
Potongan lurus yang mengejutkan. Aku bahkan sedikit panik...
Dia menghilangkan penyimpangan kecil di sepanjang tepi penggiling:
Untuk menambah estetika dudukan, ujungnya dikerjakan dengan pemotong:
Hasilnya adalah disk seperti ini:
Nah, lubang di tengah tempat model akan dimasukkan:
Yang terjadi selanjutnya adalah operasi yang membosankan itu sendiri. Itu perlu untuk mengambil bola busa dan mengebor dua lubang di dalamnya secara melintang. Melalui lubang pertama, bola semacam itu dipasang pada sumbu yang sama, ke lubang lainnya, tongkat melintang ditancapkan dari kedua ujungnya. Itu perlu membuat sepuluh bola seperti itu:
Itu yang paling sulit bagi saya. Anda tidak tahu siksaan macam apa itu untuk berdiri dan menonton. Alih-alih mengambil dremel sendiri dan dengan cepat mengebor semuanya dalam beberapa menit. Anak perempuan itu mengaturnya dalam waktu sekitar setengah jam ... Metodis yang tidak tergesa-gesa yang dia lakukan semua ini baru saja membunuhku :-)
Dia menyebut hasilnya shish kebab:
Sekarang perlu memasukkan tongkat melintang ke dalam barbekyu. Semuanya dipotong dari batang kayu yang sama dengan poros tengah:
Sekali lagi, dia ingin memotong tongkat dengan gergaji besi, tetapi saya berhasil meyakinkannya bahwa cakram pemotong dan dremel jauh lebih cepat.
Langkah selanjutnya: ambil tongkat yang diterima:
... dan masukkan ke dalam kebab yang diperoleh sebelumnya:
Ini diperlukan untuk merekatkan bola tengah (omong-omong, ini bukan sampah untuk Anda, tetapi ikatan hidrogen asli) dengan tongkat biasa. Di foto Anda dapat melihat bahwa templat lain dilampirkan ke alas tempat segmen-segmen itu ditandai. Palang ditempelkan ke dalam bola, lem dioleskan ke sumbu tengah, bola dipasang pada ketinggian yang diinginkan dan diputar di sepanjang sektor penandaan yang diinginkan. Itu. pada tahap ini, palang membantu memposisikan bola tengah pada sudut rotasi yang diinginkan. Ulangi sepuluh kali:
Setelah itu, palang dapat dilepas dan suku cadang dikirim untuk pengecatan:
Setelah semuanya kering, kami melanjutkan ke perakitan akhir.
Deoksiribosa melekat pada setiap batang melintang ... Sepertinya ... Deoksiribosa aslinya. Anjing itu tahu apa itu... Tidak masalah. Hal utama adalah putrinya tahu apa itu. Dia harus mendorong presentasi di depan guru, bukan saya :-)
Bola-bola ini sendiri harus berwarna putih, jadi tidak harus dicat:
Proses perakitan model yang panjang dan melelahkan:
Tetap menambahkan hanya rantai fosfat (fosfat). Sejauh yang kami pahami, mereka biasanya digambarkan dalam bentuk heliks ganda yang sangat mudah dikenali.
Dua pita dipotong dari kertas perak tebal:
Strip ini direkatkan ke bagian atas bola ekstrem pada model. Seperti ini:
Pada tahap ini, untuk pertama kalinya, saya mengambil bagian secara pribadi. Dua tangan tidak cukup. Satu orang harus memegang dan mengarahkan strip, dan yang kedua mengolesi lem dan pengepres.
Paling tidak, kami mengelola prosedur ini, akhirnya mendapatkan model yang diinginkan:
Sesuai dengan kondisi masalahnya, semua suku cadang juga perlu ditunjuk. Kami memutuskan untuk membatasi diri dengan menempelkan legenda ke mimbar. Sayangnya, tinta warna di printer sudah habis. Oleh karena itu, saya harus mencetak versi b/w dan mewarnainya dengan spidol:
Laminasi juga tidak berhasil pertama kali. Unit mengunyah dua label sebelum membuat yang ketiga secara normal:
Saya tidak tahu apa yang terjadi. Saya telah menggunakan unit ini ratusan kali dan belum pernah dia mengunyah apa pun ... Dengan satu atau lain cara, kami menerima label kami:
Model siap:
Sekarang putri perlu menghafal bagian lisan dari presentasi. Tapi aku tidak bisa membantunya dengan ini. Semoga berhasil dengan sendirinya. Dia memiliki satu minggu lagi untuk mempelajari bagian teoretis. Saya akan menulis nanti bagaimana saya memotret dengan proyek ..
Melipat derek kertas itu mudah! Melipat derek dari molekul DNA ... juga mudah! Sedikit ketekunan dan keterampilan memungkinkan Anda membuat karya seni nyata dari kertas dengan tangan Anda sendiri. Molekul DNA, pada gilirannya, tidak memerlukan keterampilan khusus dan dirangkai menjadi struktur seperti origami yang indah dengan mudah dan alami! Kedengarannya seperti omong kosong gila, katamu. Dengan tidak bermaksud! Pada artikel ini, Anda akan mempelajari cara membuat figur origami DNA Anda sendiri, cara mencuri emas dengan bantuan robot, dan siapa yang akan menang dalam pertarungan antara kecoa dan mesin DNA.
Karya ini diterbitkan sebagai bagian dari kompetisi artikel sains populer yang diadakan pada konferensi "Biologi - Sains Abad 21" pada tahun 2014.
Origami DNA dan teknologi nano DNA terkait telah membentuk arah ilmiah terpisah dalam dekade terakhir dan telah berkembang pesat dalam karya beberapa kelompok ilmiah di seluruh dunia. Dalam kasus umum, istilah "DNA-origami" menyembunyikan teknologi untuk konstruksi molekul DNA terarah yang mampu merakit sendiri menjadi objek yang telah dihitung dan dimodelkan sebelumnya. Desain seperti itu bisa datar dan tebal, cukup sederhana dan sangat rumit. Semuanya sama seperti dalam seni Jepang melipat selembar kertas, hanya di sini untaian DNA muncul alih-alih selembar kertas!
Seperti banyak penemuan dan perkembangan ilmiah, arah ini muncul, dalam arti tertentu, secara kebetulan dan tidak terduga. Untuk pertama kalinya, ilmuwan Amerika Ned Seaman berbicara dengan serius tentang konstruksi dan penggunaan struktur 3D dari DNA ( Ned Seeman) pada awal 1980-an. Peneliti menunjukkan salah satu kesulitan utama metode kristalografi sinar-X (digunakan saat itu dan hingga saat ini untuk menentukan struktur molekul protein), yaitu kebutuhan untuk memilih kondisi yang tepat untuk mendapatkan kristal "murni", yang dengannya satu dapat menilai struktur protein, dan menetapkan tujuan pengembangan teknologi tambahan untuk memperbaiki sampel protein (Gbr. 1). Untuk menyelesaikan tugas yang ditetapkan, pertama-tama perlu dipikirkan cara merakit molekul DNA ke dalam struktur yang diperlukan sesuai keinginan dan pemahaman.
Gambar 1. A. Potongan Kayu "Kedalaman" oleh Maurits Cornelis Escher pada tahun 1955. Melihat karya seni ini di kafetaria universitas, Ned Seaman konon terinspirasi untuk menciptakan teknologi baru yang mempermudah kristalisasi polipeptida dan studi struktural protein. Ada yang salah dengan definisi organisasi spasial protein, tetapi ide Seaman diambil oleh peneliti lain dan menyebabkan munculnya origami DNA. B. Diagram proses kristalisasi protein, digambar DI DALAM. Gagasan struktur DNA untuk orientasi molekul yang benar di ruang angkasa, digambarkan oleh Seaman (diterjemahkan oleh penulis artikel).
Pencarian dan deskripsi berbagai sifat konstruksi DNA dasar berlangsung selama beberapa tahun. Pada tahun 1991, Ned Seaman memperkenalkan sebuah kubus nanometer yang ujung-ujungnya adalah molekul DNA. Beberapa waktu kemudian, terlepas dari skeptisisme beberapa ilmuwan, karya itu diakui luar biasa. Untuk itu, Ned Seaman dianugerahi Feynman Prize for Nanotechnology pada tahun 1995 dan selamanya memasuki sejarah sains sebagai pencipta nanoteknologi DNA pertama.
Hasil Ned Seaman dan laboratoriumnya menjadi dasar bagi ide-ide peneliti brilian lainnya dan, tanpa berlebihan, tokoh utama di bidang origami DNA, Paul Rotemund dari Amerika. Pada tahun 2006, ia menerbitkan sebuah artikel di publikasi ilmiah paling otoritatif Alam, yang menjelaskan metode untuk mendapatkan struktur DNA yang tepat dengan bentuk tertentu, dan menyajikan hasil dan analisis terperinci dari desain terarah tersebut. Tidak seperti peneliti lain, dia berhasil membangun bukan kisi-kisi molekul individu, tetapi gambar datar yang nyata dengan lebar beberapa helai DNA (Gbr. 2). Artikel ini segera tersebar di majalah sains populer, berita, dan blog, karena struktur dan gambar yang disajikan mengesankan bahkan bagi pembaca yang tidak siap dari sudut pandang ilmiah. Tak heran, ilustrasi eksperimen tersebut muncul di sampul sebuah majalah.
Gambar 2. Beberapa struktur origami DNA disajikan dalam artikel oleh Paul Rotemund.
Pada tahun-tahun berikutnya, beberapa lusin artikel tentang teknologi origami DNA diterbitkan. Jumlah formulir yang diterima, ukuran desain, dan kerumitannya bertambah. Beberapa hasil telah diuji secara eksperimental pada objek biologis nyata untuk memecahkan masalah bioteknologi dan medis terapan.
Origami DNA dua dimensi: dari yang sederhana hingga yang kompleks
Bagaimana para ilmuwan melipat origami DNA? Mari kita lihat detail metode ini. Pertama-tama, kita membutuhkan molekul DNA beruntai tunggal yang panjang, yang akan berperan sebagai perancah dan dasar objek masa depan kita. Eksperimen pertama menggunakan DNA fag M13 dengan panjang 7249 nukleotida, tetapi sekarang, dengan peningkatan sejumlah teknologi, sekuens DNA lain mulai digunakan. Kami kemudian membutuhkan untaian DNA komplementer pendek yang telah disintesis sebelumnya (juga disebut "untai pengikat" atau "staples DNA", biasanya panjangnya 30-40 nukleotida), yang harus diurutkan menggunakan pemodelan komputer dan analisis struktural. Sekarang mari kita campurkan larutan dengan molekul panjang dan "penjepit kertas" pendek dan panaskan campuran tersebut hingga suhu 95 ° C sehingga ikatan molekul acak dan tidak perlu putus. Dalam proses pendinginan ke suhu kamar (prosedur ini disebut anil), molekul DNA itu sendiri akan menyatu, membentuk struktur yang kita butuhkan. Lebih mudah dari sederhana - mereka melakukan segalanya untuk kita!
Gambar 3 A, B mengilustrasikan skema hubungan antara DNA perancah (kurva abu-abu) dan oligonukleotida penahan (kurva dalam warna berbeda). DI DALAM) Diagram langkah demi langkah untuk membuat origami DNA.
Sebagai hasil percobaan, diperoleh larutan yang mengandung konstruksi DNA yang diinginkan. Dalam satu tetes larutan, miliaran objek kecil disembunyikan, yang, tidak seperti figur kertas origami, tidak dapat disentuh, dibalik, dan diperiksa. Untuk mengevaluasi hasilnya, kami membutuhkan perangkat dengan resolusi sangat tinggi - mikroskop kekuatan atom (AFM) atau mikroskop elektron. Lagi pula, sangat sulit untuk mempertimbangkan angka dengan ukuran 50-100 nm!
Untuk membuat struktur origami DNA datar, molekul beruntai ganda yang berdekatan harus dihubungkan satu sama lain dengan persilangan, jenis khusus jalinan untaian DNA. Keterikatan ini "merekatkan" rantai tetangga melalui pasangan komplementer Watson-Crick dan mencegah seluruh struktur agar tidak berantakan. Mengingat banyaknya jumlah rantai pengikat, algoritme diperlukan untuk menghitung probabilitas kecocokannya yang tepat pada rantai utama. Jika klip DNA berada di tempat yang salah, hal ini dapat menyebabkan cacat pada struktur dan kebingungan total pada semua klip lainnya. Dalam kasus terburuk, ini dapat menyebabkan struktur tidak dirakit sama sekali. Tetap saja, merakit sendiri molekul menjadi struktur yang rata sempurna bukanlah tugas yang mudah.
Gambar 4. Keakuratan gambar yang dikumpulkan bisa sangat tinggi dan secara harfiah berada di ambang resolusi instrumen modern. Dimungkinkan untuk memastikan bahwa jepit rambut DNA tersingkir di atas "kanvas DNA" yang rata dan rata di tempat yang telah ditentukan. Sepertinya sebuah pola dibuat dengan simpul pada selembar kain. Beginilah peta belahan bumi barat disusun, yang hanya dapat dilihat dengan bantuan AFM (a, b).
Struktur dua dimensi berdasarkan origami DNA memungkinkan untuk mencapai tidak hanya berbagai macam bentuk, tetapi dengan bantuan teknik ini dimungkinkan untuk mencapai ketepatan yang belum pernah terjadi sebelumnya dalam penempatan kelompok dan molekul fungsional yang diperlukan. Molekul yang terikat pada staples DNA dapat ditempatkan dengan akurasi beberapa nanometer dan bahkan angstrom (jika dirakit dengan benar)!
Jika Anda ingin merakit struktur yang lebih besar, Anda hanya perlu menghubungkan beberapa rantai panjang menjadi satu struktur komposit, seperti pada perancang atau figur origami besar. Dalam praktiknya, ini dapat dilakukan dengan cara yang sama seperti yang dijelaskan untuk satu molekul DNA perancah - Anda perlu mencampur semua bahan objek masa depan dalam satu tabung reaksi, memanaskannya dan menunggu keajaiban, atau merakit masing-masing bagian secara terpisah, dan kemudian gabungkan elemen yang sudah jadi untuk perakitan akhir dengan panas yang lebih sedikit. Pada pendekatan pertama, kita harus bekerja dengan sejumlah besar komponen, yang meningkatkan kemungkinan perakitan molekul yang salah. Saat merakit bagian-bagian secara terpisah, perlu dilakukan beberapa eksperimen independen dan mengambil langkah tambahan - anil berulang pada struktur kecil saat dipanaskan hingga suhu 50 °C. Pada suhu ini, bagian-bagiannya belum hancur, tetapi sudah lebih mudah dikaitkan satu sama lain [,].
Origami DNA 3D
Dengan modifikasi tertentu, pendekatan yang digunakan untuk mendesain struktur planar dapat digeneralisasikan ke kasus volumetrik yang lebih kompleks. Saat membangun struktur 3D, Anda dapat, seperti sebelumnya, menggunakan persilangan, dengan mempertimbangkan dimensi ketiga tambahan, dan mengumpulkan semuanya dalam satu percobaan, atau Anda harus mulai dengan objek DNA datar yang dirakit secara terpisah dan baru kemudian menggabungkannya ke dalam desain akhir. Pilihan urutan tindakan yang benar dalam kasus origami DNA tiga dimensi sangat penting karena jumlah molekul yang digunakan jauh lebih besar. Untuk struktur yang sangat kompleks (terutama saat memilih strategi perakitan pertama dalam satu percobaan), perakitan sendiri objek dapat memakan waktu beberapa hari.
Terlepas dari semua kesulitan yang mungkin timbul, struktur tiga dimensi sangat menarik bagi para peneliti! Bagaimanapun, objek volumetrik, karena berbagai kemungkinan bentuk, dapat digunakan dalam berbagai masalah terapan.
Gambar 5. "Kotak" DNA dengan penutup bukaan dan "kunci" molekuler. Diterima di Pusat Nanoteknologi DNA Denmark pada tahun 2009. Diasumsikan bahwa di masa depan desain seperti itu akan digunakan untuk penghantaran obat yang ditargetkan ke sel-sel tertentu, di mana akan dibuka menggunakan "kunci" molekuler.
Jadi, dengan menggunakan beberapa kotak yang identik, para ilmuwan berhasil menyusun sebuah kubus berongga (meski sedikit cacat). Untuk menghilangkan cacat desain, para peneliti memasang penutup pada kubus ini, yang dikunci dengan kunci berukuran nanometer. Pembukaan tutupnya dapat dikontrol dengan mengubah konformasi kunci melalui perkawinan dengan "kunci DNA" kecil (Gbr. 5). Untuk memastikan kubus terkunci dengan aman dan terbuka hanya dengan kunci tertentu, efek FRET membantu. Pada saat yang sama, desain ini telah menjadi salah satu wadah pertama dari jenisnya untuk penghantaran obat yang ditargetkan. Sejauh ini hanya di masa depan, tentu saja.
Tahap selanjutnya dalam desain objek 3D adalah perakitan blok bangunan, yang kemudian diikat menjadi satu seperti bagian kit konstruksi (lebih lanjut tentang ini dapat ditemukan di).
Glosarium
Aplikasi origami DNA: chip DNA, mesin molekuler, dan robot nano
Sejauh ini, kami terutama menyentuh proses mendesain dan merakit origami DNA, dan hampir tidak pernah menyebutkan mengapa semua ini diperlukan. Dan memang, karena struktur DNA tidak dikembangkan untuk mengaguminya dan mendapatkan kesenangan estetis! Nanoteknologi DNA modern ditujukan untuk memecahkan beberapa masalah terapan yang berkaitan dengan kedokteran, bioteknologi, dan pemrograman.
Konstruksi DNA dapat membawa ke permukaan beberapa kelompok fungsional yang berorientasi ketat yang secara khusus mengikat satu atau beberapa molekul dan, dengan demikian, mencatat keberadaannya. Dalam kasus paling sederhana, klip DNA khusus disintesis dengan urutan yang melengkapi molekul RNA atau DNA dalam larutan. Saat menggunakan AFM, kami bahkan dapat merekam tindakan pengikatan tunggal molekul semacam itu, karena ketika koneksi terjadi antara struktur origami DNA dan molekul target, molekul target mulai "menonjol" dengan kuat. Ini segera terlihat saat menganalisis gambar.
Penggunaan ligan atau aptamers memungkinkan pembuatan chip sensor yang sebenarnya. Dengan bantuan mereka, dimungkinkan untuk mencatat keberadaan tidak hanya molekul asam nukleat beruntai tunggal, tetapi juga molekul protein dan senyawa lain yang menarik bagi kita. Dengan kombinasi keadaan yang berhasil, kita dapat berbicara tentang deteksi molekul tunggal sekalipun.
Kemampuan untuk mendaftar dapat ditingkatkan dengan memperbaiki struktur origami DNA pada permukaan substrat. Pada saat yang sama, substrat ditandai sebelumnya dengan metode litografi dan etsa, setelah itu diproses dengan senyawa kimia khusus. Dengan persiapan yang tepat dari "jembatan" untuk pendaratan, struktur DNA berbaris tepat di tempat-tempat yang menarik bagi kita dan bahkan dalam orientasi yang diinginkan. Secara keseluruhan, urutan operasi semacam itu memberikan penempatan konstruksi origami DNA yang cukup akurat pada substrat, yang, pada gilirannya, berfungsi sebagai substrat untuk penempatan molekul yang dipelajari dengan sifat yang sangat berbeda yang lebih akurat. Chip untuk berbagai senyawa kimia terdaftar siap digunakan!
Salah satu bidang yang paling menarik dari nanoteknologi DNA adalah pembuatan mesin molekuler yang dapat melakukan berbagai operasi dengan sedikit keterlibatan manusia. Misalnya, Ned Seaman dan rekannya membuat mesin DNA berjalan dengan dua kaki. Pada substrat yang telah dirancang sebelumnya (juga terbuat dari DNA), mereka menempatkan beberapa mesin DNA sederhana lainnya yang menyimpan partikel nano emas dan dapat melepaskannya saat mereka mengubah konformasi. "Pejalan kaki molekuler" kami berjalan di sepanjang substrat (di sepanjang jalan yang diketahui sebelumnya, yang juga harus dirakit) dan, ketika berada di dekat pembawa emas, mengambil partikel nano emas dari mereka! Setelah mendapatkan emas, pahlawan kita tidak tenang dan pergi untuk menambang emas berikutnya. Di akhir percobaan, pejalan kaki DNA yang tamak seharusnya memperkaya dirinya sendiri dengan cukup baik!
Untuk mendemonstrasikan kemungkinan gerakan mesin molekuler yang dapat diprogram, kelompok peneliti lain menyusun DNA "laba-laba" dengan tiga kaki dan satu ekor. (Ternyata itu adalah laba-laba yang aneh, tentu saja, tetapi kami akan menutup mata terhadap ini.) Kelompok molekuler fungsional melekat pada kaki "laba-laba" DNA, yang memungkinkan untuk bergerak di sepanjang jalur yang dibuat khusus untuk tujuan ini. Laba-laba diikat dengan kunci molekul ke ekornya di awal perjalanannya; kemudian, setelah mengikat molekul kunci ke molekul kunci, dia dilepaskan dan dia lari menjelajahi dunia! Pergerakan DNA laba-laba difilmkan secara real time menggunakan mikroskop refleksi internal total - kecepatan rata-ratanya adalah 3 nm/menit. Rupanya, dia tidak melarikan diri, melainkan berjalan dengan senang hati.
Harapan besar ditempatkan pada origami DNA dan teknologi nano DNA lainnya sehubungan dengan masalah penghantaran obat yang ditargetkan ke sel yang membutuhkan. Sayangnya, kawasan ini belum berkembang sebaik yang lain, dan masih dalam tahap penelitian intensif. Masih harus dipercaya bahwa penemuan terkait robot DNA yang berfungsi untuk kepentingan perawatan kesehatan dan kemanusiaan secara keseluruhan masih akan datang!
Alih-alih sebuah kesimpulan
Hingga saat ini, para ilmuwan dari berbagai negara telah mengumpulkan sejumlah besar data eksperimen dan mendeskripsikan sejumlah besar mekanisme berdasarkan teknologi DNA, yang belum sepenuhnya dipahami dan dievaluasi. Bahkan sekarang, tidak mungkin untuk menjelaskan secara rinci masing-masing struktur yang diperoleh dan kelebihannya dibandingkan yang lain. Lagi pula, jika hanya 10 tahun yang lalu hanya beberapa laboratorium di seluruh dunia yang terlibat dalam penelitian semacam ini, sekarang jumlahnya diperkirakan mencapai beberapa lusin. Mengenai masa depan bidang sains ini, hanya satu hal yang pasti dapat dikatakan - ini akan menjadi lebih menarik di masa depan! Untuk meyakinkan Anda tentang hal ini, berikut adalah judul artikel yang diterbitkan pada bulan April 2014 - "Komputasi universal oleh robot origami DNA pada hewan hidup", yang menjelaskan penggunaan robot nano DNA pada kecoak hidup. dari beberapa potongan jigsaw origami DNA. ACS Nano 5, 665-671; ;
- Tutorial: untuk membentuk pengetahuan awal tentang struktur, komposisi kimia dan fungsi molekul DNA.
- Mengembangkan: mempromosikan pertumbuhan posisi hidup yang aktif, mengembangkan kemampuan untuk menganalisis dan menerapkan pengetahuan yang diperoleh dalam kehidupan.
- Pendidikan: Menumbuhkan rasa tanggung jawab atas kehidupan sendiri, kehidupan masa depan anak-anak; menanamkan kecintaan terhadap alam.
Bantuan pendidikan dan visual:
- kartu tugas individu untuk memeriksa materi yang tercakup dalam tiga versi
- perekam suara
- kartu istilah
- model demo DNA
- satu set kabel berwarna untuk membuat DNA "Anda".
- set krayon berwarna
Selama kelas
1. Pidato pengantar guru.
"Alam adalah hal yang paling penting, dan segala sesuatu dilakukan menurut hukumnya, dan kita adalah bagian dari alam itu sendiri dan kita juga hidup menurut hukumnya, dan kekuatan yang sama bekerja di dalam diri kita." Ini adalah kata-kata dari buku, penulis "Sistem Pengerasan - Pelatihan Manusia" yang terkenal - P.K. Ivanov.
Mari kita coba tentukan kata kunci di sini:
ALAM, HUKUM "KUASA" DI DALAM KITA.
Konsep-konsep ini kita kenal dari mata kuliah fisika, kimia, biologi. Tapi kekuatan apa yang ada di dalam diri kita, bagaimana mereka bertindak - kita akan belajar selama pelajaran.
2. Lakukan pemanasan.
Seperti yang sudah Anda ketahui, sel mengandung sekitar 80 unsur kimia yang berbeda.
Mereka memiliki berbagai efek pada sifat dan proses dalam organisme hidup.
Jadi tugasnya adalah:
Opsi I - efek elemen pada tubuh:
Ca, Fe, Md, I, Zn.
Opsi II - beri nama unsur makro, unsur mikro, unsur ultramikro (tanda kimiawi, % konten).
Opsi III - jawab pertanyaan:
Zat apa yang tergolong anorganik
Zat apa yang tergolong organik
Apa yang dimaksud dengan "anorganik"?
Apa yang dimaksud dengan "organik"?
Semua organisme hidup terdiri dari ... (musik tenang menyala)
3. Mempelajari materi baru.
Diketahui bahwa dongeng itu bohong, tetapi ada petunjuk di dalamnya dan diperoleh pelajaran yang tidak biasa. Pelajaran tanpa topik.
Tugas masalah:
Tentukan judul topik pelajaran pada saat penjelasan. Jadi, saya akan menceritakan sebuah dongeng, dan Anda akan memperbaiki "petunjuk" di buku catatan Anda.
Di kerajaan tertentu, keadaan intraseluler, hiduplah sebuah nukleus. Begitu bulat dan imut. Dan namanya sangat sederhana - Inti (diagram dibuat di papan tulis selama cerita). (Gambar 1)
Hidup itu tidak sulit. Kondisinya setidaknya kecil, tetapi sebagaimana mestinya, batasnya adalah (cangkang) dan parit dengan cairan kental (sitoplasma). Piranha tinggal di sana (lisosom). Ketika pedagang luar negeri, licik, membawa barang melintasi perbatasan (metabolisme), lisosom secara ketat memantau kualitasnya, dan segera mencerna produk berkualitas rendah: bersama dengan pedagang.
Inti menjadi bangga bahwa itu sangat penting. Para pedagang di depannya "mematahkan topi mereka" dan memberinya gelar mereka sendiri, di luar negeri. Sejak itu, intinya disebut dengan bijak - NUCLEUS (selama pelajaran, kartu dengan tugas dilampirkan ke papan tulis).
Waktu berlalu. Nucleus sedih, tidak ada yang bisa diajak bicara, dia berpikir untuk meneruskan warisan, dia berpikir dan memutuskan untuk membuat anak kecil dari tubuhnya (nukleotida).
Mengurai nukleotida:
Disini adenil(A) di sini cytidyl(C), di sini timin(T), nah, ini guanial(G).
Ya, tidak ada yang berhasil. Untungnya para tamu muncul. Seorang sahabat datang - enzim, dan sepupu - ikatan hidrogen dan kovalen. Kemudian ATF datang berlari. Semua orang membual tentang betapa serbagunanya dia.
Semua orang turun ke bisnis bersama - nukleotida ditata.
Ikatan kovalen adalah yang paling cerdas, terkuat, ia mulai melipat nukleotida berpasangan, tidak sembarangan, tetapi dengan perasaan. Dan perasaan itu komplementaritas" disebut. (Gambar 2)
Di sini ikatan hidrogen ikut campur: "Meskipun saya lemah, saya juga akan membantu; ayolah, saya akan memelintir semuanya dengan benar." Dan "memutar". Ternyata indah. (Gambar 3)
Enzim segera memberi nama bayi yang baru lahir - polinukleotida, Dan kemudian ATF cara berteriak (sudah menjadi orang yang sangat energik):
"Itu perempuan! Lihat, dia punya pinggang!" Tidak ada hubungannya. Nama lain telah dipilih. Teringat. Ada seorang nenek pada intinya, namanya - Deoksiribosa. Jadi mereka memutuskan untuk menamai bayi yang baru lahir - asam deoksiribonukleat, singkatnya - DNA. Di sini dongeng berakhir, dan siapa pun yang mendengarkan: dia akan menyebutkan topik pelajaran:
"Kelahiran DNA"
4. Konsolidasi - "Bangun DNA Anda."
(Dari kabel berwarna, setiap orang membuat DNA "mereka")
superhelix beruntai ganda diperoleh
5. Kesimpulan.
Dan ketika DNA tumbuh, saya menerima paspor, menjadi bagian dari kromosom, mendapat pekerjaan di sana: menyimpan dan mentransmisikan informasi genetik.
Mungkin inilah "kekuatan di dalam diri kita".
6. Pekerjaan rumah.
a) lisan - penemuan saya hari ini
Apa yang telah berubah dalam pandangan dunia saya
b) tertulis - tulis aturan perilaku sehubungan dengan semua makhluk hidup atas nama: serigala, kelinci, wortel.
