Вы хотите сделать свою собственную модель ДНК - основного структурного элемента жизни? Тогда выпустите на волю своего внутреннего творца и создайте модель ДНК из полимерной глины или проволоки с бусинками, чтобы у вас получилась модель, которая обязательно займет первое место на любой научной выставке.
Метод 1 из 2: Создание модели из глины
- Если вы планируете экспонировать вашу модель на выставке, подготовьте подставку, на которую вы сможете поставить ее. Это может быть небольшая деревянная доска со стержнем, выходящим из ее центра, к которому будет крепиться нить ДНК.
- После того как вы закончите формовать полимерную глину, вам нужно будет запечь ее, поэтому убедитесь, что у вас есть также духовка в рабочем состоянии.
- Чтобы обеспечить дополнительную поддержку для модели ДНК, вы можете использовать в ней гибкую проволоку.
Создайте две длинные нити, которые будут представлять собой двойную спираль. Выберите полимерную глину одного из выбранных вами цветов и скатайте ее в два куска длиной 30 сантиметров и толщиной полтора сантиметра. Из них будут сформированы боковые нити ДНК, поэтому необходимо обеспечить их прочность, чтобы можно было надежно прикреплять к нитям другие детали.
- Чтобы добавить дополнительную устойчивость модели, можно обернуть глину вокруг двух длинных кусков гибкой проволоки.
- Вы можете свободно изменять размер нити вашей модели ДНК, чтобы она соответствовала всем вашим требованиям. Для того, чтобы создать более короткую модель, просто уменьшите размер нитей двойной спирали.
Добавьте сахар и фосфатные группы. Нити двойных спиралей ДНК состоят из групп двух типов: сахара и фосфатов. Используйте одну из ваших цветных полимерных глин чтобы сформовать фосфатные группы на двойной спирали.
- Раскатайте глину выбранного для фосфатных групп цвета до тех пор, пока она не станет плоской. Нарежьте полоски глины длиной и шириной по полтора сантиметра.
- Начиная с нижней части длинных полосок двойной спирали, оборачивайте вокруг нити куски плоской фосфатной глины.
- Убедитесь, что они хорошо вдавлены в нить спирали и не отпадут.
- Пропускайте между кусками фосфатной глиной на нити по полтора сантиметра пустого места. Пустое пространство в нитях двойной спирали представляет собой группы сахаров.
- Продолжайте чередовать глину сахаров и фосфатов на расстоянии полтора сантиметра друг от друга, пока вы не заполните обе нити двойной спирали.
Это - четыре азотистых основания, которые составляют нить ДНК: цитозин, гуанин, аденин и тимин. Они образуют перекладины "лестницы" между двумя нитями двойной спирали. Выберите по одному цвету полимерной глины для каждого из четырех оснований.
- Скатайте глину каждого цвета в куски по полтора сантиметра длиной и полсантиметра шириной. Используйте нож, чтобы отрезать края и придать поверхности гладкость.
- Подсчитайте количество созданных вами групп сахаров на нити двойной спирали. Это - количество пар азотистых оснований, которое вам нужно будет сделать.
- Распределите ваши цвета попарно на соответствующие группы. Цитозин и гуанин всегда должны находиться вместе (в любом порядке), так же как и тимин с аденином.
- Если вы хотите дать вашим азотистым основаниям большую устойчивость, нарежьте кусочки гибкой проволоки длиной около двух с половиной сантиметров и используйте их как центральные части глиняных оснований.
- Объединяйте пары цветов, защипывая края ваших полуторасантиметровых кусочков. Как только цветные кусочки будут соединены посередине, аккуратно скатайте их в один гладкий цельный кусок глины.
Прикрепите азотистые основания к двойной спирали. Как только вы сделаете все 2,5-сантиметровые отрезки азотистых оснований, вы должны будете прикрепить их к двойной спирали.
- Начинайте с первой группы на двойной спирали. Используйте маленькие кусочки глины размером с горошину того же цвета, что и группа сахара.
- Прикрепите одно из азотистых оснований к сахару с использованием небольшого кусочка глины. Защипните кусочки глин и разгладьте края, скатав их пальцами.
- Легче всего будет прикрепить все кусочки азотистых оснований на одной стороне только одной из нитей двойной спирали. Затем, когда из одной нити двойной спирали будут выходить все 2,5-сантиметровые основания, прикрепите вторую нить к противоположной стороне.
- Убедитесь, что все детали прочно скреплены. Если вы вдели в ваши азотистые основания в проволоку, то вы можете воткнуть концы проволоки в нити двойной спирали, чтобы лучше закрепить их.
Изогните двойную спираль. Чтобы придать вашей модели ДНК классическую спиральную форму, удерживайте вашу двойную спираль за оба конца и поверните их против часовой стрелки.
Запеките вашу модель. Придерживайтесь инструкций, которые приведены на упаковке полимерной глины, а затем запеките вашу модель, чтобы отвердить ее.
- Если у вас есть вощеная бумага, запекайте модель на ней, чтобы модель не прилипла к противню.
- Всегда давайте модели остыть, перед тем как вытаскивать ее, иначе можно обжечься.
Как только модель запечется и остынет, продемонстрируйте плоды своего труда! Повесьте ее на потолок с помощью лески, или прикрепите ее к деревянной подставке.
Приобретите материалы и инструменты. Чтобы сделать модель ДНК из глины, для начала понадобится купить любую понравившуюся вам глину. Вы сможете сделать модель, если у вас будет полимерная глина минимум шести цветов, а также инструменты, которыми вы будете формовать глину (например, пластиковый нож или скалка).
Метод 2 из 2: Создание модели из проволоки и бусин
Соберите материалы. Для этого проекта вам понадобится несколько метров гибкой проволоки, кусачки и бусинки на ваш выбор.
- Если вы хотите повысить уровень качества своей модели, ту для прочного присоединения деталей друг к другу вы можете использовать паяльник.
- Вы можете использовать любые бусинки, однако стеклянные бусины придадут модели более красивый вид. Если хотите, вы можете добавить бисер в качестве разделителя между большими бусинами.
- Чтобы соответствовать желаемому размеру модели, вам необходимы будут бусинки в достаточном количестве минимум шести цветов.
- Если вы собираетесь выставить вашу модель на обозрение, то сделайте подставку из дерева, к которой можно будет прикрепить вашу модель.
Сделайте двойную спираль. Она представляет собой две длинные боковые нити, которые удерживают всю молекулу ДНК и придают ей форму лесенки. Отрежьте два куска проволоки равной длины. Эти куски послужат остовом модели ДНК, поэтому их длину выбирайте в зависимости от длины всей модели.
- Выберите бусины двух цветов и прикрепите по одной на каждый конец проволоки. Проденьте проволоку сквозь бусину второй раз, создав петлю на концевой части проволоки. Это предотвратит соскальзывание бусинок.
- Попеременно прикрепляйте бусины двух цветов на проволоку. Два цвета представляют сахар и фосфатные групп, которые образуют длинную часть двойной спирали.
- Вы можете вдевать одну или много бусин каждого цвета, однако проверьте, чтобы у на проволоке у вас было одинаковое количество бусин каждого цвета из двух.
- Сделайте то же самое для второго куска проволоки для двойной спирали, внимательно следя за тем, чтобы цвета двух бусинок (сахар и фосфаты) на двух лежащих рядом проволочных нитях совпадали.
- Оставьте сверху проволоки 2,5 см незаполненного пространства, чтобы вы смогли прикрепить "перекладины лестницы" в зазоры между бусинами.
Добавьте "перекладины лестницы". Подсчитайте количество групп сахара, которые вы сделали на двойной спирали, а затем нарежьте кусочки проволоки длиной 2,5 сантиметра в том же количестве.
- Оберните концы одного куска проволоки вокруг нити двойной спирали у бусины сахара. Сделайте это для всех кусков проволоки, чтобы у вас получилась полная нить двойной спирали с торчащими из нее кусками проволоки.
- Если вы хотите сделать более декоративную и прочную модель ДНК, воспользуйтесь паяльником, чтобы припаять кусочки проволоки к нити двойной спирали.
Сделайте азотистые основания. Выберите четыре других цвета и присвойте каждому из них азотистое основание. Гуанин и цитозин всегда располагаются в паре, так же как и тимин с аденином.
- Чтобы заполнить каждый мелкий кусок проволоки, вам скорее всего понадобится много бусинок, поэтому прикрепляя бусинки к проволоке, выбирайте их равные количества, относящихся к каждому азотистому основанию.
- Убедитесь, что вы соблюдаете группировку пар бусинок. Всегда нанизывайте цитозин и гуанин вместе, как и тимин с аденином. Однако вы можете размещать их в любом порядке и делать одних пар больше, чем других.
Нанизайте ваши азотистые основания. Как только вы разделите все ваши бусины, разместите их на проволочных ответвлениях, которые выходят из нити двойной спирали. Обязательно оставьте 1,5 сантиметра на конце проволоки для прикрепления ее к другой нити двойной спирали.
Прикрепите вторую нить двойной спирали. Добавив все бусины азотистых оснований, приготовьте и прикрепите вторую нить двойной спирали. Сориентируйте боковую сторону, чтобы она отражала первое азотистое основание, и прикрепите кусочки проволоки.
- Вы можете обернуть кусочки проволоки вокруг двойной спирали с помощью тонкогубцев. Прикрепите эти мелкие кусочки проволоки в том же месте, где вы сделали это для противоположной нити двойной спирали.
- Если можете, воспользуйтесь паяльником, чтобы спаять между собой последние кусочки проволоки, при этом модель получится более гладкой на вид.
Запечатайте концы модели. Чтобы бусинки не выпадали из модели, закрутите проволоку на каждом конце нитей двойной спирали в петлю. Вы также можете запаять проволоку в форме узлов, чтобы предотвратить рассыпание бусин.
Изогните двойную спираль. Чтобы создать классическую спиральную форму нити ДНК, возьмите ее за концы и аккуратно проверните против часовой стрелки.
Выставьте вашу модель на обозрение. Как только вы добавите все последние штрихи, ваша модель завершена! Повесьте ее на подвесном приспособлении или на потолке, или прикрепите ее к деревянной подставке, использовав немного проволоки или клея. Покажите всем дело ваших рук!
- Если для создания модели ДНК вы используете духовку или паяльник, то будьте осторожны, чтобы не обжечься.
- Оба эти метода слишком сложны для детей, поэтому, если вы делаете модель для школьного проекта, убедитесь, что ваши помощники достигли достаточного возраста, чтобы не навредить себе при работе с материалами.
М ногие, наверняка знают, как легко и просто реплицировать часть собственной ДНК. Процесс нехитрый по сути. Зато сколько потом восторженных сюсюканий из серии “ах, как он/она похож(а) на папу/маму!”. Однако, задача сильно усложняется, когда нужно создать некую абстрактную модель ДНК у себя на столе из подручных материалов.
Нафига это мне понадобилось, спросите? Очень просто. У дочери в школе есть предмет аналогичный “биологии” в российских школах. Соответственно, ученикам задали домашний проект, который включает в себя не только получение теоретических знаний о строении ДНК, но и создание модели оной. C этой моделью потом нужно выступать перед учителем и классом, рассказывая, что там в ней и как.
Вообще, это будет не совсем “мой” пост. Он, скорее посвящен дочери. Хотя я и принимал некоторое участие в процессе, в основном это участие сводилось к консалтингу… Однако, вдруг кому будет интересно или, вдруг у кого ребенку в школе зададут сделать аналогичную шнягу. Вот и руководство готовое получится.
Согласно условиям задачи, модель должна удовлетворять определенным требованиям. Интересно, что ученик сам может выбрать, какие условия он выполнит. Каждый пункт презентации “весит” определенное количество зачетных баллов. Соответственно, можно пойти по простому пути и набрать некий минимальный проходной балл или попробовать реализовать “программу максимум”.
Исходная постановка задачи:
Так же, как следует из задачи, это не обязательно должна быть именно модель. Это может быть что угодно – от книжки с рассказом до пазла. Главное, чтобы это имело некое физическое представление. Отдельно отмечено, что, если ученик решит делать именно модель, то запрещается использовать готовый магазинный набор. Типа такого , например.
Дочь решила делать модель и постараться настрелять максимальное число баллов. ОК.
Начали с компьютерной модели… Я на самом деле – не настоящий сварщик. Ну, т.е., в общих чертах знаю, что такое ДНК, из чего она состоит и как её принято изображать. Не более того. Поэтому уже с самых первых шагов, инициативу перехватила дочь. Она смогла растолковать мне что из чего состоит и что к чему прикрепляется.
Вышло что-то вроде такого:
Когда стало понятно. какие запчасти нам понадобятся, отправились по магазинам.Понадобится: пенопластовые шарики двух размеров, деревянные прутки, краска, клей и кусочек MDF для подставки.
Ах, да… Еще обязательно понадобится Пес:
Если честно, я сам не очень понимаю за каким хреном нужен Пес, но зато у него самого уверенности в этом хватило на нас всех. На самом деле, он только мешался… Но может быть я просто что-то недопонял.
Пенопластовые шарики были куплены в “долларом” магазине. В разделе “все для вечеринок”. Даже не хочу пытаться понять, как в контексте вечеринки могут быть использованы пенопластовые шарики. Но хорошо, что они нашлись. Это был у нас самый проблематичный момент. Нужно было найти такие шарики, которые было бы легко обрабатывать. Например, стеклянные шарики не подойдут – запаришся сверлить. Деревянные… В принципе, подошли бы. Для меня. Но работать предстояло дочери и я сомневался, что она вот так сходу сможет ровно продырявить деревянный шарик ручной дрелью. Половину запорет с непривычки. А они достаточно дорогие. Нужен был более мягкий и дешевый материал. Пенопласт подошел просто идеально.
Деревянные рейки были куплены в магазине стройматериалов. Эти прутки – более тонкие собратья тех, что я использовал для декорирования кровати и тумбочек . С этим проблем не было. Они всегда есть в большом многообразии во всех строительных магазинах.
Краски/клей – тривиально. Взяли обычную краску в аэрозоле. Сперва попробовали на одном из шариков – краска пенопласт не съела. Соответственно купили нужное количество цветов. Клей – обычный ПВА.
Кусок MDF-панели для подставки у меня уже был в загашнике. Можно приступать к работе.
Сперва подставка. Дочь прислушалась к моему совету и распечатала на принтере шаблон, который приклеила на кусок MDF:
Её вариант был – найти блюдце подходящего диаметра и обрисовать по нему окружность. Но я смог её убедить, что такой путь – не путь самурая. Кому, как не мне знать, что у нас в хозяйстве нет блюдец подходящего диаметра с ровной кромкой – все с волнистым краем. Плавали уже – знаем:-)
На удивление ровно вырезала. Я даже прифигел слегка…
Незначительные неровности по краю она убрала на шлифмашинке:
Чтобы придать эстетизьму подставке, её кромка была обработана на фрезе:
Получился вот такой диск:
Ну и отверстие по центру, в которое будет вставлена модель:
Далее предстояла сама занудная операция. Нужно было взять пенопластовый шарик и просверлить в нем два сквозных отверстия крест накрест. Через первое отверстие такой шарик насаживается на общую ось, в другое отверстие, с обоих его концов втыкаются поперечные палочки. Таких шариков нужно было сделать десять штук:
Труднее всего было мне. Вы не представляете себе, какая это пытка – стоять и смотреть. Вместо того, чтобы самому схватить дремель и быстро насверлить все за пару минут. Дочь управилась где-то за пол часа… Неспешная методичность с которой она все это проделывала – просто убивала меня:-)
Полученный результат она назвала шашлыком:
Теперь в шашлык предстояло напихать поперечные палочки. Они были нарезаны все из того же деревянного прутка, что и центральная ось:
Опять же, она хотела резать палочки ножовкой, но мне удалось убедить её, что отрезной диск и дремель – гораздо быстрее.
Следующий этап: взять полученные палочки:
… и напихать их в полученный ранее шашлык:
Это нужно было для того, чтобы приклеить центральные шарики (кстати, это вам не фигня какая, а самые настоящие водородные связи) с общей палке. На фото можно увидеть, что к основанию прицеплен очередной шаблон на котором размечены сегменты. Поперечины втыкаются в шарик, на центральную ось наносится клей, шарик выставляется на нужной высоте и поворачивается вдоль нужного сектора разметки. Т.е. на данном этапе, поперечины помогают позиционировать центральный шарик с нужным углом поворота. Повторить десять раз:
После этого, поперечины можно вынуть и отправить запчасти в покраску:
Как все высохло, приступили к финишной сборке.
На каждую поперечную палочку прицеплялась деоксирибоза… Кажется… Deoxyribose в оригинале. Пес его знает, что это… Не важно. Главное, что дочь знает, что это. Ей перед учителем презентуху толкать, а не мне:-)
Сами эти шарики должны быть белыми, поэтому красить их не пришлось:
Долгий и кропотливый процесс сборки модели:
Осталось добавить только фосфатные цепочки (phosphates). Насколько мы поняли, их и принято изображать в виде той самой, узнаваемой двойной спирали.
Из плотной толстой бумаги серебристого цвета были выкроены две ленты:
Эти полоски клеятся к вершинам крайних шариков на модели. Вот так:
На этом этапе я впервые принял личное участие. Двух рук оказалось недостаточно. Надо, чтобы кто-то один держал и направлял полоски, а второй – мазал клеем и прижимал.
Худо-бедно мы с этой процедурой управились, получив в итоге, желаемую модель:
Согласно условиям задачи, нужно было так же, обозначить все запчасти. Решили ограничиться прилепливанием легенды к подставке. Как назло, кончились цветные чернила в принтере. Поэтому пришлось напечатать ч/б вариант и раскрасить его фломастерами:
Ламинация тоже не прошла с первого раза. Агрегат сжевал две этикетки, прежде чем нормально сделал третью:
Не знаю в чем дело было. Я уже сто раз пользовался этим агрегатом и ни разу до этого он ничего не жевал… Так или иначе, свою этикетку мы получили:
Модель готова:
Теперь дочери надо вызубрить устную часть презентации. Но с этим я уже помочь ей никак не могу. Надеюсь справится сама. Еще неделя у нее есть на зубрежку теоретической части. Напишу потом, как отсрелялась с проектом..
Сложить журавлика из бумаги легко! Сложить журавлика из молекулы ДНК... тоже легко! Немного усидчивости и мастерства позволяют своими руками создавать из бумаги настоящие произведения искусства. Молекулы ДНК, в свою очередь, не требуют специальных навыков и собираются в красивые структуры на подобие оригами легко и непринужденно! Звучит как бред сумасшедшего, скажете вы. Отнюдь! Из этой статьи вы узнаете, как создать свою собственную фигурку оригами из ДНК, как похитить золото с помощью роботов, и кто победит в схватке между тараканом и ДНК-машиной.
Эта работа публикуется в рамках конкурса научно-популярных статей, проведенного на конференции «Биология - наука 21 века » в 2014 году.
ДНК-оригами и связанные с этим ДНК-нанотехнологии сформировали в последнее десятилетие отдельное научное направление и получили стремительное развитие в работах нескольких научных групп по всему миру. В общем случае, за термином «ДНК-оригами» скрывается технология направленного конструировании молекул ДНК, способных к самосборке в заранее рассчитанные и смоделированные объекты. Такие конструкции могут быть как плоскими, так и объемными, довольно простыми и чрезвычайно замысловатыми. Все так же, как в японском искусстве складывания бумажного листа, только здесь вместо листа бумаги выступает нить ДНК!
Как и многие научные открытия и разработки, это направление возникло, в некоторым смысле, случайно и неожиданно. Впервые о конструировании и использовании 3D-структур из ДНК всерьез заговорил американский ученый Нэд Симан (Ned Seeman ) в начале 1980-х гг. Исследователь указывал на одну из главных сложностей метода рентгеновской кристаллографии (используемого тогда и по сей день для определения структуры белковых молекул), а именно необходимость подбора точных условий для получения «чистого» кристалла, по которым можно судить о структуре белка, и ставил своей целью разработку вспомогательной технологии фиксации белковых образцов (рис. 1). Для решения поставленных задач нужно было для начала разобраться с тем, как по собственному желанию и разумению собирать молекулы ДНК в необходимые конструкции.
Рисунок 1. А. Гравюра на дереве «Глубина», созданная Маурицем Корнелисом Эшером в 1955 году. Поговаривают, что, глядя на это произведение искусства в университетской столовой, Нэд Симан вдохновился на создание новой технологии, упрощающей кристаллизацию полипептидов и, следовательно, структурные исследования белков. С определением пространственной организации белков что-то не заладилось, но зато идеи Симана были подхвачены другими исследователями и привели к возникновению ДНК-оригами . Б. Схема процесса кристаллизации белков, нарисованная В. Идея ДНК-структур для правильной ориентации молекул в пространстве, изображенная Симаном (перевод автора статьи).
Поиск и описание различных свойств элементарных ДНК-конструктов длились несколько лет. В 1991 году Нэд Симан представил нанометровый куб, ребра которого представляли собой молекулы ДНК . Спустя некоторое время, несмотря на скептическое отношение некоторых ученых, работа была признана выдающейся. За неё Нэд Симан был удостоен Фейнмановской премии по нанотехнологиям в 1995 году и навсегда вошел в историю науки как создатель первых ДНК-нанотехнологий.
Результаты Нэда Симана и его лаборатории послужили фундаментом для идей другого блистательного исследователя и, без преувеличения, крупной фигуры в области ДНК-оригами - американца Пола Ротемунда. В 2006 году он опубликовал статью в авторитетнейшем научном издании Nature , в которой был описан метод получения точных ДНК-структур с заданной формой, а также были представлены детальные результаты и анализ такого направленного конструирования. В отличие от других исследователей, ему удалось строить не решетки из отдельных молекул, а настоящие плоские фигуры шириной в несколько цепочек ДНК (рис. 2). Эта статья сразу разлетелась по научно-популярным журналам, новостям и блогам, ведь представленные структуры и изображения впечатляли даже неподготовленного с научной точки зрения читателя. Не удивительно, что иллюстрации эксперимента красовались на обложке выпуска журнала.
Рисунок 2. Некоторые структуры, построенные при помощи ДНК-оригами и представленные в статье Пола Ротемунда .
В последующие годы вышло несколько десятков статей, посвященных технологии ДНК-оригами. Росло число полученных форм, размеров конструкций и их сложности. Некоторые из результатов были экспериментально опробованы на реальных биологических объектах для решения прикладных биотехнологических и медицинских задач.
Двумерное ДНК-оригами: от простого к сложному
Как же ученые складывают ДНК-оригами? Разберемся в деталях данного метода. Для начала нам потребуется длинная одноцепочечная молекула ДНК, которая будет играть роль каркаса и основы нашего будущего объекта. В первых экспериментах использовалась ДНК фага M13 длиной 7249 нуклеотидов, однако сейчас с усовершенствованием ряда технологий стали использовать другие последовательности ДНК. Затем нам понадобятся заранее синтезированные короткие комплементарные цепочки ДНК (также называемые «скрепляющими цепочками» или «ДНК-скрепками», обычно 30-40 нуклеотидов в длину), последовательность которых необходимо подобрать при помощи компьютерного моделирования и анализа структур. Теперь смешаем растворы с длинной молекулой и короткими «скрепками» и нагреем смесь до температуры 95 °C, чтобы случайные и ненужные молекулярные связи распались. В процессе остывания до комнатной температуры (эта процедура называется отжигом) молекулы ДНК сами соберутся вместе, образуя нужную нам структуру. Проще простого - они всё делают за нас сами!
Рисунок 3. А, Б иллюстрируют схему связей между каркасной ДНК (серая кривая) и скрепляющими олигонуклеотидами (кривые разных цветов) . В) Пошаговая схема по изготовлению ДНК-оригами .
В результате эксперимента получается раствор, содержащий желаемые ДНК-конструкции. В одной-единственной капле раствора скрываются миллиарды крошечных объектов, которые, в отличие от бумажных фигурок оригами, нельзя потрогать, повертеть в руках и рассмотреть. Для оценки результата нам потребуется прибор со сверхвысоким разрешением - атомно-силовой микроскоп (АСМ) или электронный микроскоп. Ведь рассмотреть фигурки размером 50-100 нм так непросто!
Для создания плоских структур ДНК-оригами смежные двухцепочечные молекулы должны быть соединены друг с другом кроссовером - особым типом переплетения нитей ДНК. Такое переплетение «склеивает» соседние цепочки посредством уотсон-криковского комплементарного спаривания и не дает всей структуре рассыпаться. Учитывая большое количество скрепляющих цепочек, требуются алгоритмы для расчета вероятности их точной посадки на основную цепь. Если ДНК-скрепка сядет не в том месте, то это может повлечь за собой как дефект структуры, так и полную путаницу в посадке всех остальных скрепок. В худшем случае это может привести к тому, что структура не соберется вовсе. Все-таки самосборка молекул в идеально плоскую структуру - это не такая уж и легкая задача.
Рисунок 4. Точность собранного рисунка может быть довольно высока и находиться буквально на грани разрешения современных приборов. Можно добиться того, чтобы на ровном плоском «ДНК-полотне» в заранее предусмотренных местах будут выбиваться ДНК-шпильки. Это выглядит так, как если бы на кусочке ткани сделали рисунок узелками. Именно так была собрана карта западного полушария Земли, которую можно было увидеть исключительно при помощи АСМ (а, б).
Двумерные структуры на основе ДНК-оригами позволяют достичь не только большого многообразия форм - с помощью этой техники можно добиться невиданной до этого точности в размещении требуемых функциональных групп и молекул. Связанные с ДНК-скрепками молекулы могут быть размещены с точностью до нескольких нанометров и даже ангстрем (при условии правильной сборки)!
Если требуется собрать структуру побольше, нужно всего лишь соединить несколько длинных цепочек в одну составную конструкцию, как в конструкторе или крупных оригами-фигурах. На практике это можно осуществить так же, как было описано для одной единственной каркасной молекулы ДНК - нужно смешать все ингредиенты будущего объекта в одной пробирке, нагреть и ждать чуда, или собрать каждую деталь по отдельности, после чего объединить уже готовые элементы для окончательной сборки при менее интенсивном нагреве. В первом подходе нам приходится работать с достаточно большим количеством компонентов, ввиду чего увеличивается вероятность неправильной сборки молекул. При сборке деталей по отдельности необходимо провести несколько независимых экспериментов и совершить дополнительный шаг - повторный отжиг малых структур при нагреве до температуры 50 °C. При такой температуре детали еще не разваливаются на части, но уже более охотно связываются с друг с другом [ , ].
Трехмерное ДНК-оригами
При определенных модификациях подход, который применяется для конструирования плоских структур, может быть обобщен до более сложного объемного случая. При конструировании 3D-структур можно, как и раньше, использовать кроссоверы, учитывая дополнительное третье измерение, и собирать все за один эксперимент, либо нужно начинать с собранных по отдельности плоских ДНК-объектов и лишь потом объединять их в конечную конструкцию. Выбор правильной последовательности действий в случае трехмерного ДНК-оригами чрезвычайно важен из-за значительно большего числа используемых молекул. Для особо сложных конструкций (особенно, при выборе первой стратегии сборки за один эксперимент) самосборка объекта может занимать несколько дней.
Несмотря на все сложности, которые могут возникнуть, объемные конструкции так привлекательны для исследователей! Ведь объемные объекты, ввиду многообразия возможных форм, могут быть использованы в широком круге самых разных прикладных задач.
Рисунок 5. ДНК-«коробочка» с открывающейся крышкой и молекулярным «замком». Получена в Датском центре ДНК-нанотехнологий в 2009 году. Предполагается, что в будущем такая конструкция будет использоваться для адресной доставки лекарств к определенным клеткам, где она будет открыта при помощи молекулярного «ключа».
Так, используя несколько одинаковых квадратов, ученым удалось собрать полый куб (правда, немного деформированный). Для устранения недостатков конструкции исследователи приделали к этому кубу крышку, которая запиралась на замок нанометровых размеров. Открытием крышки можно было управлять при помощи изменения конформации замка за счет спаривания с небольшими «ДНК-ключами» (рис. 5). Убедиться в том, что куб надежно закрывается на замок и открывается лишь определенным ключом, помог эффект FRET . При этом данная конструкция стала одним из первых в своем роде контейнером для адресной доставки лекарств. Пока только в перспективе, конечно же.
Следующим этапом конструирования 3D объектов стала сборка строительных блоков, которые в дальнейшем скреплялись между собой, как детали конструктора (подробнее об этом можно прочесть в ).
Словарик
Применение ДНК-оригами: ДНК-чипы, молекулярные машины и нанороботы
Пока мы затрагивали в основном процесс конструирования и сборки ДНК-оригами, и практически никак не упоминали о том, зачем все это нужно. И действительно, ведь ДНК-структуры разрабатываются не для того чтобы ими любоваться и получать эстетическое удовольствие! Современные ДНК-нанотехнологии направлены на решение нескольких прикладных задач, связанных с медициной, биотехнологией и программированием.
ДНК-конструкции могут нести на поверхности несколько строго ориентированных функциональных групп, специфически связывающих ту или иную молекулу, и, таким образом, регистрировать их присутствие. В самых простых случаях синтезируется специальная ДНК-скрепка с последовательностью, комплементарной молекуле РНК или ДНК в растворе. При использовании АСМ мы можем зафиксировать даже акт единичного связывания такой молекулы, так как при возникновении связи между структурой ДНК-оригами и целевой молекулой, последняя начинает сильно «выпирать» . Это сразу бросается в глаза при анализе изображения.
Использование лигандов или аптамеров позволяет создавать настоящие сенсорные чипы. С их помощью можно регистрировать наличие не только одноцепочечных молекул нуклеиновых кислот, но и интересующих нас молекул белков и других соединений. При удачном стечении обстоятельств, речь может идти об обнаружении даже единичных молекул.
Способность к регистрации можно улучшить, фиксируя структуры ДНК-оригами на поверхности подложки. Подложка при этом заранее размечается методами литографии и травления, после чего обрабатывается специальными химическими соединениями. При правильной подготовке «плацдарма» для посадки, ДНК-структуры выстраиваются точно по порядку в интересующих нас местах и даже в нужной ориентации . В совокупности, последовательность таких операций дает довольно точное размещение на подложке конструкций ДНК-оригами, которые, в свою очередь, служат подложкой для еще более точного размещения исследуемых молекул самой разной природы. Чип для широкого круга регистрируемых химических соединений готов к использованию!
Одним из интереснейших направлений ДНК-нанотехнологий является создание молекулярных машин, которые могли бы проводить разнообразные операции при минимальном участии человека. Например, Нэд Симан с коллегами собрал шагающую ДНК-машину с двумя ногами . На заранее сконструированной подложке (тоже собранной из ДНК) они разместили несколько других простых ДНК-машин, которые держали золотые наночастицы и могли их высвобождать при изменении конформации. Наш «молекулярный пешеход» ходил по подложке (по заранее известной дороге, которую тоже надо было собрать) и, когда оказывался вблизи носителей золота, отбирал у них золотую наночастицу! Заполучив немного золота, наш герой не успокаивался и шел за следующей порцией золотой добычи. По окончанию экспериментов жадный ДНК-пешеход должен был неплохо обогатиться!
Для того, чтобы продемонстрировать возможности программируемого перемещения молекулярных машин, другая группа исследователей собрала ДНК-«паука» с тремя ногами и одним хвостом . (Странный, конечно, паук получился, но мы закроем на это глаза.) К ногам ДНК-«паука» были прикреплены функциональные молекулярные группы, которые позволяли перемещаться по специально созданной для этого трассе. Паук был привязан молекулой-замком за хвост в самом начале своего пути; затем, после связывания молекулы-замка с молекулой-ключом, его отпускали на свободу, и он убегал исследовать мир! Передвижение ДНК-паука было заснято в реальном времени при помощи микроскопии полного внутреннего отражения - его средняя скорость составила 3 нм/мин. Видимо, он не убегал, а скорее с наслаждением прогуливался по своей дорожке.
Большие надежды возлагаются на ДНК-оригами и другие ДНК-нанотехнологии в связи с вопросом адресной доставки лекарственных средств нуждающимся клеткам. К сожалению, это направление не проработано так хорошо, как другие, и всё ещё находится на стадии интенсивных исследований. Остается верить, что открытия, связанные с ДНК-роботами, служащими на благо здравоохранения и человечества в целом, ещё впереди!
Вместо заключения
К настоящему моменту учеными из разных стран собран большой объем экспериментальных данных и описано большое число механизмов на основе ДНК-технологий, которые ещё только предстоит полностью осмыслить и оценить. Уже сейчас подробно описать каждую из полученных структур и её преимущества над другими не представляется возможным. Ведь если только 10 лет назад исследованиями такого рода занималось всего несколько лабораторий во всем мире, сейчас их количество исчисляется несколькими десятками. Относительно будущего данной области науки сказать определенно можно только одно - дальше будет еще интереснее! Чтобы убедить вас в этом, приведем заголовок статьи, которая вышла в апреле 2014 года - «Universal computing by DNA origami robots in a living animal», в которой описано использование ДНК-нанороботов в живых тараканах Programmed two-dimensional self-assembly of multiple DNA origami jigsaw pieces . ACS Nano 5, 665-671; ;
- Обучающая: сформировать первоначальные знания о строении, химическом составе и функциях молекулы ДНК.
- Развивающая: способствовать росту активной жизненной позиции, развивать умение анализировать и применять полученные знания в жизни.
- Воспитательная : воспитать чувство ответственности за свою жизнь, жизнь будущих детей; привить любовь к природе.
Учебно-наглядные пособия:
- индивидуальные карточки-задания для проверки пройденного материала в трех вариантах
- аудиомагнитофон
- карточки с терминами
- демонстрационная модель ДНК
- набор цветной проволоки для изготовления "своей" ДНК
- набор цветных мелков
Ход урока
1. Вступительное слово учителя.
"Природа - самое главное, и все делается по её законам, а мы являемся частицей самой природы и живем тоже по её законам, и те же самые силы действуют внутри нас". Это слова из книги, автора знаменитой "Системы закалки - тренировки человека" - П.К.Иванова.
Попробуем определить здесь ключевые слова:
ПРИРОДА, ЗАКОНЫ "СИЛЫ" ВНУТРИ НАС.
С этими понятиями мы знакомы по курсам физики, химии, биологии. А вот какие силы есть внутри нас, как они действуют - предстоит узнать в ходе урока.
2. Разминка.
Как вам уже известно, в составе клеток около 80 различных химических элементов.
Они оказывают самые разные действия на свойства и процессы в живых организмах
Итак, задание:
I вариант - влияние элементов на организм:
Ca, Fе, Мd, I, Zn.
II вариант - назовите макроэлементы, микроэлементы, ультрамикроэлементы (химические знаки, % содержания).
III вариант - ответьте на вопросы:
Какие вещества относят к неорганическим
Какие вещества относят к органическим
Что значит "неорганические"?
Что значит "органические"?
Все живые организмы состоят из... (включается спокойная музыка)
3. Изучение нового материала.
Известно, что сказка ложь, да в ней намек и получается необычный урок. Урок без темы.
Проблемное задание:
Определить в ходе объяснения название темы урока. Итак, я буду сказку сказывать, а вы "намёки" в тетради фиксировать.
В некотором царстве, внутриклеточном государстве жило-было ядро. Такое округлое, симпатичное. А имя такое простое - Ядро (на доске по ходу рассказа составляется схема). (Рисунок 1)
Жило не тужило. Государство хоть маленькое, но как положено границы были (оболочка) и ров с вязкой жидкостью (цитоплазма). Пираньи там жили (лизосомы). Когда купцы заморские, лукавые, через границу товар везли (обмен веществ), лизосомы строго следили за качеством, некачественные продукты сразу переваривали: вместе с купцами.
Загордилось ядро, что оно такое важное. Купцы перед ним "шапку ломали" и звание ему свое, заморское присвоили. Стали с тех пор ядро мудрено звать - НУКЛЕУС (по ходу урока на доске крепятся карточки с заданиями).
Шло время. Грустно Нуклеусу, поговорить не с кем, наследство передать думал он думал и решил создать из своего тела (нуклеотидов) дитя малое.
Раскладывает нуклеотиды:
Вот сюда адениловый (А), сюда цитидиловый (Ц), здесь тиминовый (Т), ну а тут гуаниловый (Г).
Да не получается ничего. К счастью гости заявились. Пришел друг закадычный - фермент, и сестры двоюродные - водородная и ковалентная связь. Потом АТФ прибежала. Все хвасталась, какая она универсальная.
Все дружно взялись за дело - нуклеотиды раскладывают.
Ковалентная связь самая умная, крепкая, стала попарно нуклеотиды складывать, не как попало, а с чувством. А чувство это "комплиментарность " называется. (Рисунок 2)
Тут вмешалась водородная связь: "Я хоть и слабельная, но тоже помогу; давайте-ка, я всё как следует закручу". И "закрутила". Красиво получилось. (Рисунок 3)
Фермент сразу имя дал новорожденному - полинуклеотид , А тут АТФ как закричит (уж очень энергичная особа):
"Это ведь девочка! Смотрите, у нее есть талия!" Делать нечего. Стали еще одно имя подбирать. Вспомнили. Была у ядра бабка, звали её - Дезоксирибоза . Вот и решили новорожденную назвать - дезоксирибонуклеиновая кислота, короче - ДНК. Тут и сказке конец, а кто слушал: тот назовет тему урока:
"Рождение ДНК"
4. Закрепление - "Построй свою ДНК".
(Из цветной проволоки каждый изготавливает "свою" ДНК)
получается двухцепочная суперспираль
5. Выводы.
А когда ДНК подросла, паспорт получила, вошла в состав хромосомы, на работу там устроилась: хранит и передает генетическую информацию.
Наверное, это и есть "силы внутри нас".
6. Домашнее задание.
а) устное - мое сегодняшнее открытие
Что изменилось в моем мировоззрении
б) письменное - написать правила поведения по отношению ко всему живому от имени: волка, зайца, морковки.
