Você quer fazer seu próprio modelo de DNA, o bloco básico de construção da vida? Em seguida, liberte seu criador interior e crie um modelo de DNA de argila de polímero ou arame com contas para criar um modelo que certamente ocupará o primeiro lugar em qualquer feira de ciências.
Método 1 de 2: Fazendo um modelo de argila
- Se você planeja exibir seu modelo em uma exposição, prepare um estande para colocá-lo. Pode ser uma pequena placa de madeira com uma haste saindo de seu centro, à qual a fita de DNA será anexada.
- Assim que terminar de moldar a argila de polímero, você precisará assá-la, portanto, certifique-se de ter um forno funcionando também.
- Para fornecer suporte adicional para o modelo de DNA, você pode usar um fio flexível nele.
Crie duas fitas longas para formar uma dupla hélice. Escolha a argila polimérica em uma das cores escolhidas e enrole-a em dois pedaços de 30 centímetros de comprimento e um centímetro e meio de espessura. Eles formarão as fitas laterais do DNA, por isso é necessário garantir sua resistência para que outras partes possam ser fixadas com segurança nas fitas.
- Para adicionar estabilidade extra ao modelo, você pode enrolar a argila em torno de dois longos pedaços de arame flexível.
- Você é livre para alterar o tamanho do filamento do seu modelo de DNA para atender a todos os seus requisitos. Para criar um modelo mais curto, basta reduzir o tamanho dos fios da dupla hélice.
Adicione açúcar e grupos de fosfato. As fitas de dupla hélice do DNA são formadas por dois tipos de grupos: açúcares e fosfatos. Use uma de suas argilas poliméricas coloridas para formar os grupos fosfato na dupla hélice.
- Estenda a argila da cor escolhida para os grupos de fosfato até ficar plana. Corte tiras de argila com um centímetro e meio de comprimento e largura.
- Começando na parte inferior das longas tiras da dupla hélice, enrole pedaços de argila de fosfato plana ao redor do fio.
- Certifique-se de que eles estão bem pressionados no fio da espiral e não cairão.
- Passe entre os pedaços de argila de fosfato em um fio um centímetro e meio de espaço vazio. O espaço vazio nas fitas da dupla hélice representa grupos de açúcares.
- Continue alternando a argila de açúcares e fosfatos com um centímetro e meio de distância até completar as duas fitas da dupla hélice.
Estas são as quatro bases nitrogenadas que compõem a fita de DNA: citosina, guanina, adenina e timina. Eles formam os degraus da "escada" entre os dois fios da dupla hélice. Escolha uma cor de argila de polímero para cada uma das quatro bases.
- Enrole a argila de cada cor em pedaços de um centímetro e meio de comprimento e meio centímetro de largura. Use uma faca para cortar as bordas e alisar a superfície.
- Conte o número de grupos de açúcares que você criou na fita da dupla hélice. Este é o número de pares de bases que você precisará fazer.
- Divida suas cores em pares em grupos apropriados. A citosina e a guanina devem estar sempre juntas (em qualquer ordem), assim como a timina e a adenina.
- Se quiser dar mais estabilidade às suas bases nitrogenadas, corte pedaços de arame flexível com cerca de dois centímetros e meio de comprimento e use-os como centro de mesa das bases de argila.
- Combine pares de flores apertando as bordas de suas peças de um centímetro e meio. Depois que as peças coloridas estiverem unidas no meio, enrole-as suavemente em um pedaço de argila sólido e liso.
Anexe as bases nitrogenadas à dupla hélice. Depois de fazer todos os comprimentos de 2,5 cm de bases nitrogenadas, você precisará prendê-los à dupla hélice.
- Comece com o primeiro grupo na dupla hélice. Use pequenos pedaços de argila do tamanho de ervilhas da mesma cor do grupo de açúcar.
- Prenda uma das bases nitrogenadas ao açúcar usando um pequeno pedaço de argila. Aperte os pedaços de argila e alise as bordas enrolando-os com os dedos.
- Será mais fácil prender todos os pedaços de bases nitrogenadas em um lado de apenas uma das fitas da dupla hélice. Então, quando todas as bases de 2,5 cm saírem de uma fita da dupla hélice, prenda a segunda fita no lado oposto.
- Certifique-se de que todas as peças estejam bem presas. Se você enfiou suas bases nitrogenadas em um fio, pode enfiar as pontas do fio nos fios da dupla hélice para prendê-los melhor.
Dobre a dupla hélice. Para dar ao seu modelo de DNA a forma helicoidal clássica, segure as duas extremidades da dupla hélice e gire-as no sentido anti-horário.
Asse seu modelo. Siga as instruções na embalagem da argila de polímero e asse seu modelo para endurecê-lo.
- Se você tiver papel manteiga, asse o modelo nele para que ele não grude na assadeira.
- Sempre deixe o modelo esfriar antes de retirá-lo, caso contrário você pode se queimar.
Depois que o modelo estiver assado e resfriado, mostre os frutos do seu trabalho! Pendure-o no teto com uma linha de pesca ou prenda-o a um suporte de madeira.
Compra de materiais e ferramentas. Para fazer um modelo de DNA em argila, primeiro você precisa comprar qualquer argila de sua preferência. Você pode fazer um modelo se tiver pelo menos seis cores de argila de polímero, bem como ferramentas com as quais moldará a argila (por exemplo, uma faca de plástico ou um rolo).
Método 2 de 2: Fazendo um modelo com arame e miçangas
Reúna os materiais. Para este projeto, você precisará de vários metros de fio flexível, alicate de corte e miçangas de sua escolha.
- Se você deseja aumentar o nível de qualidade do seu modelo, pode usar um ferro de solda para prender firmemente as peças umas às outras.
- Você pode usar qualquer miçanga, mas as miçangas de vidro darão ao modelo um visual mais bonito. Se quiser, você pode adicionar miçangas como espaçador entre as miçangas maiores.
- Para combinar com o tamanho desejado do modelo, você precisará de miçangas em quantidades suficientes de pelo menos seis cores.
- Se você for expor seu modelo, faça um suporte de madeira ao qual possa prender seu modelo.
Faça uma dupla hélice. Consiste em duas longas fitas laterais que seguram toda a molécula de DNA e lhe dão a forma de uma escada. Corte dois pedaços de arame de igual comprimento. Essas peças servirão como a espinha dorsal do modelo de DNA, então escolha seu comprimento dependendo do comprimento de todo o modelo.
- Escolha miçangas de duas cores e prenda uma em cada ponta do fio. Passe o fio pela conta uma segunda vez, criando um laço na ponta do fio. Isso evitará que as contas escorreguem.
- Alternadamente, prenda contas de duas cores ao fio. As duas cores representam os grupos de açúcar e fosfato que formam a parte mais longa da dupla hélice.
- Você pode enfiar uma ou várias contas de cada cor, mas certifique-se de ter o mesmo número de contas de cada cor das duas no fio.
- Faça o mesmo para o segundo pedaço de fio de dupla hélice, tomando cuidado para combinar as cores das duas contas (açúcar e fosfato) nos dois fios de fio próximos um do outro.
- Deixe 2,5 cm de espaço vazio no topo do fio para que você possa prender os "degraus da escada" nos espaços entre as contas.
Adicione "degraus da escada". Conte o número de grupos de açúcar que você fez na dupla hélice e, em seguida, corte os pedaços de arame de 2,5 centímetros na mesma quantidade.
- Enrole as pontas de um pedaço de arame ao redor da dupla hélice do grânulo de açúcar. Faça isso em todos os pedaços de arame para que você tenha uma dupla hélice completa com pedaços de arame saindo dela.
- Se você quiser fazer um modelo de DNA mais decorativo e durável, use um ferro de solda para soldar pedaços de arame ao fio da dupla hélice.
Faça bases nitrogenadas. Escolha quatro outras cores e atribua uma base nitrogenada a cada uma. A guanina e a citosina estão sempre pareadas, assim como a timina e a adenina.
- Para preencher cada pequeno pedaço de arame, você provavelmente precisará de muitas contas, portanto, ao prender as contas ao fio, escolha quantidades iguais para cada base nitrogenada.
- Certifique-se de respeitar o agrupamento de pares de contas. Sempre amarre citosina e guanina juntas, assim como timina e adenina. No entanto, você pode colocá-los em qualquer ordem e fazer alguns pares mais do que outros.
Amarre suas bases nitrogenadas. Depois de separar todas as contas, coloque-as nos galhos de arame que saem da fita de dupla hélice. Certifique-se de deixar 1,5 centímetro na ponta do fio para prendê-lo à outra mecha da dupla hélice.
Anexe a segunda fita da dupla hélice. Com todas as contas de base de nitrogênio adicionadas, prepare e prenda a segunda fita da dupla hélice. Oriente o lado para refletir a primeira base nitrogenada e prenda os pedaços de arame.
- Você pode enrolar os pedaços de arame ao redor da dupla hélice usando um alicate de ponta fina. Prenda esses pequenos pedaços de arame no mesmo lugar que você fez para o fio oposto da dupla hélice.
- Se puder, use um ferro de solda para soldar os últimos pedaços de arame, deixando o modelo mais liso.
Sele as extremidades do padrão. Para evitar que as contas caiam do modelo, torça o fio em cada extremidade dos fios da dupla hélice em um laço. Você também pode soldar o fio em nós para evitar que as contas se desfaçam.
Dobre a dupla hélice. Para criar a forma helicoidal clássica de uma fita de DNA, pegue as pontas e torça-as suavemente no sentido anti-horário.
Mostre seu modelo. Depois de adicionar todos os toques finais, seu modelo está completo! Pendure-o em um cabide ou no teto, ou prenda-o a um suporte de madeira com arame ou cola. Mostre a todos o seu trabalho!
- Se você estiver usando um forno ou um ferro de solda para criar seu modelo de DNA, tome cuidado para não se queimar.
- Ambos os métodos são muito difíceis para crianças, portanto, se você estiver fazendo um modelo para um projeto escolar, certifique-se de que seus ajudantes tenham idade suficiente para não se machucar enquanto trabalham com os materiais.
Muitas pessoas provavelmente sabem como é fácil e simples replicar parte de seu próprio DNA. O processo é essencialmente simples. Mas então quantos ceceios entusiasmados da série “oh, como ele / ela se parece com o pai / mãe!”. No entanto, a tarefa se torna muito mais complicada quando você precisa criar algum tipo de modelo abstrato de DNA em sua mesa a partir de materiais improvisados.
Para que era necessário para mim, pergunte? Muito simples. Minha filha na escola tem uma matéria semelhante à “biologia” nas escolas russas. Nesse sentido, os alunos receberam um projeto de casa, que inclui não apenas a obtenção de conhecimentos teóricos sobre a estrutura do DNA, mas também a criação de um modelo do mesmo. Com esse modelo, então você precisa falar com o professor e com a turma, contando o que tem nele e como.
Em geral, este não será exatamente o “meu” post. Ele é mais dedicado à filha. Apesar de eu ter participado um pouco no processo, basicamente essa participação se resumia a consultoria... Porém, de repente alguém vai se interessar ou, de repente, alguém na escola vai pedir para uma criança fazer uma coisa parecida. Aqui está o guia pronto.
De acordo com as condições do problema, o modelo deve atender a certos requisitos. Curiosamente, o próprio aluno pode escolher quais condições cumprirá. Cada ponto da apresentação "pesa" um certo número de pontos de crédito. Assim, você pode seguir um caminho simples e obter uma determinada pontuação mínima para aprovação ou tentar implementar o “programa máximo”.
Enunciado inicial do problema:
Assim como decorre da tarefa, não precisa ser exatamente o modelo. Pode ser qualquer coisa - de um livro com uma história a um quebra-cabeça. O principal é que tenha alguma representação física. Separadamente, observa-se que se o aluno decidir fazer um modelo, é proibido usar um conjunto de loja pronto. Assim, por exemplo.
A filha decidiu fazer um modelo e tentar tirar o máximo de pontos. OK.
Começamos com um modelo de computador... Na verdade, não sou um soldador de verdade. Bem, isto é, em termos gerais, eu sei o que é o DNA, em que consiste e como é costume representá-lo. Não mais. Portanto, desde os primeiros passos, a filha tomou a iniciativa. Ela foi capaz de me explicar em que consiste e o que está ligado a quê.
Saiu mais ou menos assim:
Quando ficou claro quais as peças que precisamos, fomos às compras. Você vai precisar de: dois tamanhos de bolas de isopor, varetas de madeira, tinta, cola e um pedaço de MDF para o suporte.
Ah sim... Você com certeza vai precisar de um Cachorro:
Para ser sincero, eu mesmo não entendo muito bem para que diabos serve o Cachorro, mas ele próprio tinha confiança suficiente nisso para todos nós. Na verdade, ele só interferiu ... Mas talvez eu tenha entendido mal alguma coisa.
Bolas de isopor foram compradas na loja do "dólar". Na seção "tudo para festas". Não quero nem tentar entender como bolas de isopor podem ser usadas no contexto de uma festa. Mas é bom que eles foram encontrados. Este foi o nosso momento mais problemático. Era necessário encontrar bolas que fossem fáceis de processar. Por exemplo, contas de vidro não funcionarão - você se cansará de perfurar. De madeira ... Em princípio, caberiam. Para mim. Mas minha filha tinha que trabalhar e eu duvidava que ela fosse capaz de furar uma bola de madeira uniformemente com uma furadeira manual como aquela. Meio constipado por hábito. E eles são bem caros. Era necessário um material mais macio e barato. A espuma se encaixou perfeitamente.
As ripas de madeira foram compradas em uma loja de materiais de construção. Essas varetas são primas mais finas das que usei para decorar a cama e as mesinhas de cabeceira. Não houve problemas com isso. Eles estão sempre disponíveis em uma ampla variedade em todas as lojas de ferragens.
Tinta/cola - trivial. Pegamos a tinta usual em aerossol. A princípio experimentaram uma das bolas - a tinta não comeu a espuma. Assim, compramos a quantidade certa de flores. Cola - PVA comum.
Eu já tinha um pedaço de painel de MDF para o suporte no armário. Você pode começar a trabalhar.
Fique em primeiro lugar. Minha filha seguiu meu conselho e imprimiu um gabarito na impressora, que colou em um pedaço de MDF:
Sua opção foi encontrar um pires de diâmetro adequado e desenhar um círculo nele. Mas consegui convencê-la de que esse caminho não é o caminho de um samurai. Quem, senão eu, sabe que não temos na fazenda pires de diâmetro adequado com borda lisa - tudo com borda ondulada. Já nadamos - sabemos :-)
Corte surpreendentemente reto. Eu até me assustei um pouco...
Ela removeu pequenas irregularidades ao longo da borda em um moedor:
Para agregar estética ao suporte, sua borda foi usinada em uma fresa:
O resultado é um disco como este:
Bem, o buraco no centro em que o modelo será inserido:
O que se seguiu foi a própria operação tediosa. Era necessário pegar uma bola de espuma e fazer dois furos transversais nela. Através do primeiro orifício, essa bola é montada em um eixo comum; no outro orifício, bastões transversais são presos em ambas as extremidades. Era necessário fazer dez dessas bolas:
Foi o mais difícil para mim. Você não tem ideia de que tipo de tortura é ficar parado assistindo. Em vez de você mesmo pegar uma dremel e perfurar tudo rapidamente em alguns minutos. A filha conseguiu em cerca de meia hora ... O metodismo sem pressa com que ela fez tudo isso simplesmente me matou :-)
Ela chamou o resultado de shish kebab:
Agora era preciso enfiar palitos transversais na churrasqueira. Todos foram cortados da mesma barra de madeira do eixo central:
Mais uma vez, ela quis cortar os palitos com uma serra, mas consegui convencê-la de que um disco de corte e uma dremel eram muito mais rápidos.
Próximo passo: pegue os bastões recebidos:
... e encha-os no kebab obtido anteriormente:
Isso foi necessário para colar as bolas centrais (aliás, isso não é lixo para você, mas ligações de hidrogênio reais) com um bastão comum. Na foto você pode ver que outro gabarito está preso à base na qual os segmentos são marcados. As travessas são fixadas na bola, a cola é aplicada no eixo central, a bola é colocada na altura desejada e girada ao longo do setor de marcação desejado. Aqueles. nesta fase, as travessas ajudam a posicionar a bola central no ângulo de rotação desejado. Repita dez vezes:
Depois disso, as travessas podem ser removidas e as peças de reposição enviadas para pintura:
Depois de tudo seco, procedemos à montagem final.
A desoxirribose foi anexada a cada haste transversal... Parece... Desoxirribose no original. O cachorro sabe o que é... Não importa. O principal é que a filha saiba o que é. Ela deve empurrar a apresentação na frente do professor, não eu :-)
Essas próprias bolas deveriam ser brancas, para que não precisassem ser pintadas:
Um longo e meticuloso processo de montagem de um modelo:
Resta adicionar apenas cadeias de fosfato (fosfatos). Pelo que entendemos, costuma-se retratá-los na forma da bem reconhecível dupla hélice.
Duas fitas foram cortadas de papel prateado grosso e grosso:
Essas tiras são coladas nos topos das bolas extremas do modelo. Assim:
Nesta fase, pela primeira vez, participei pessoalmente. Duas mãos não eram suficientes. É necessário que uma pessoa segure e guie as tiras, e a segunda unte com cola e pressione.
No mínimo, conseguimos este procedimento, obtendo finalmente o modelo desejado:
De acordo com as condições do problema, também foi necessário designar todas as peças de reposição. Decidimos nos limitar a colocar a lenda na arquibancada. Infelizmente, a tinta colorida da impressora acabou. Portanto, tive que imprimir uma versão em preto e branco e colorir com canetas hidrográficas:
A laminação também não funcionou da primeira vez. A unidade mastigou dois rótulos antes de fazer o terceiro normalmente:
Não sei qual era o problema. Eu já usei essa unidade uma centena de vezes e nunca antes ele havia mastigado alguma coisa ... De uma forma ou de outra, recebemos nosso rótulo:
Modelo pronto:
Agora a filha precisa memorizar a parte oral da apresentação. Mas não posso ajudá-la com isso. Espero que funcione por conta própria. Ela tem mais uma semana para estudar a parte teórica. Vou escrever mais tarde como fotografei com o projeto ..
Dobrar um guindaste de papel é fácil! Dobrar um guindaste a partir de uma molécula de DNA... também é fácil! Um pouco de perseverança e habilidade permitem que você crie verdadeiras obras de arte a partir do papel com suas próprias mãos. As moléculas de DNA, por sua vez, não requerem habilidades especiais e são montadas em belas estruturas semelhantes a origami de maneira fácil e natural! Soa como um absurdo louco, você diz. De jeito nenhum! Neste artigo, você aprenderá como criar sua própria figura de origami de DNA, como roubar ouro com a ajuda de robôs e quem vencerá uma luta entre uma barata e uma máquina de DNA.
Este trabalho é publicado no âmbito do concurso de artigos de divulgação científica realizado na conferência "Biologia - Ciência do Século XXI" em 2014.
O origami de DNA e as nanotecnologias de DNA relacionadas formaram uma direção científica separada na última década e foram rapidamente desenvolvidos no trabalho de vários grupos científicos em todo o mundo. No caso geral, o termo "DNA-origami" esconde uma tecnologia para a construção dirigida de moléculas de DNA capazes de se auto-montar em objetos pré-calculados e modelados. Esses designs podem ser planos e volumosos, bastante simples e extremamente intrincados. Tudo é igual à arte japonesa de dobrar uma folha de papel, só que aqui aparece um fio de DNA em vez de uma folha de papel!
Como muitas descobertas e desenvolvimentos científicos, essa direção surgiu, em certo sentido, por acidente e inesperadamente. Pela primeira vez, o cientista americano Ned Seaman falou seriamente sobre a construção e uso de estruturas 3D a partir do DNA ( Ned Seeman) no início da década de 1980. O pesquisador apontou uma das principais dificuldades do método de cristalografia de raios X (utilizado então e até hoje para determinar a estrutura de moléculas de proteínas), a saber, a necessidade de selecionar condições exatas para a obtenção de um cristal “puro”, pelo qual se pode julgar a estrutura da proteína e definir como meta o desenvolvimento de tecnologia auxiliar para a fixação de amostras de proteínas (Fig. 1). Para resolver as tarefas definidas, primeiro foi necessário descobrir como montar moléculas de DNA nas estruturas necessárias à vontade e compreensão.
Imagem 1. A. Xilogravura "Profundidade" de Maurits Cornelis Escher em 1955. Olhando para esta obra de arte no refeitório da universidade, diz-se que Ned Seaman se inspirou para criar uma nova tecnologia que facilita a cristalização de polipeptídeos e, portanto, estudos estruturais de proteínas. Algo deu errado com a definição da organização espacial das proteínas, mas as ideias de Seaman foram retomadas por outros pesquisadores e levaram ao surgimento do origami de DNA. B. Diagrama do processo de cristalização de proteínas, desenhado EM. A ideia das estruturas de DNA para a correta orientação das moléculas no espaço, retratada por Seaman (traduzido pelo autor do artigo).
A busca e descrição de várias propriedades de construções elementares de DNA durou vários anos. Em 1991, Ned Seaman introduziu um cubo nanométrico cujas bordas eram moléculas de DNA. Algum tempo depois, apesar do ceticismo de alguns cientistas, o trabalho foi reconhecido como excelente. Por isso, Ned Seaman recebeu o Prêmio Feynman de Nanotecnologia em 1995 e entrou para sempre na história da ciência como o criador da primeira nanotecnologia de DNA.
Os resultados de Ned Seaman e seu laboratório serviram de base para as ideias de outro brilhante pesquisador e, sem exagero, uma figura importante no campo do origami de DNA, o americano Paul Rotemund. Em 2006, ele publicou um artigo na publicação científica de maior autoridade Natureza, que descreveu um método para obter estruturas precisas de DNA com uma determinada forma e apresentou os resultados detalhados e a análise desse design direcionado. Ao contrário de outros pesquisadores, ele conseguiu construir não redes de moléculas individuais, mas figuras planas reais com vários filamentos de DNA de largura (Fig. 2). Este artigo imediatamente se espalhou por revistas científicas populares, notícias e blogs, porque as estruturas e imagens apresentadas impressionaram até o leitor despreparado do ponto de vista científico. Não surpreendentemente, ilustrações do experimento apareceram na capa de uma edição de revista.
Figura 2. Algumas das estruturas de origami de DNA apresentadas no artigo de Paul Rotemund.
Nos anos seguintes, várias dezenas de artigos dedicados à tecnologia de origami de DNA foram publicados. O número de formulários recebidos, os tamanhos dos designs e sua complexidade aumentaram. Alguns dos resultados foram testados experimentalmente em objetos biológicos reais para resolver problemas biotecnológicos e médicos aplicados.
Origami de DNA bidimensional: do simples ao complexo
Como os cientistas dobram o origami de DNA? Vamos dar uma olhada nos detalhes desse método. Para começar, precisamos de uma longa molécula de DNA de fita simples, que desempenhará o papel de andaime e a base de nosso futuro objeto. Os primeiros experimentos usaram o DNA do fago M13 com um comprimento de 7249 nucleotídeos, mas agora, com o aprimoramento de várias tecnologias, outras sequências de DNA começaram a ser usadas. Em seguida, precisamos de cadeias curtas complementares de DNA pré-sintetizadas (também chamadas de "fitas de fixação" ou "grampos de DNA", geralmente de 30 a 40 nucleotídeos de comprimento), que devem ser sequenciadas usando modelagem de computador e análise estrutural. Agora vamos misturar soluções com uma molécula longa e "clipes de papel" curtos e aquecer a mistura a uma temperatura de 95 ° C para que as ligações moleculares aleatórias e desnecessárias se quebrem. No processo de resfriamento à temperatura ambiente (esse procedimento é chamado de recozimento), as próprias moléculas de DNA se unem, formando a estrutura de que precisamos. Mais fácil do que simples - eles fazem tudo por nós!
Figura 3 A,B ilustram o esquema de ligações entre DNA andaime (curva cinza) e oligonucleotídeos de ancoragem (curvas em cores diferentes). EM) Diagrama passo a passo para fazer origami de DNA.
Como resultado do experimento, é obtida uma solução contendo as construções de DNA desejadas. Em uma única gota de solução, escondem-se bilhões de minúsculos objetos que, ao contrário das figuras de papel de origami, não podem ser tocados, revirados nas mãos e examinados. Para avaliar o resultado, precisamos de um aparelho com ultra-alta resolução - um microscópio de força atômica (AFM) ou um microscópio eletrônico. Afinal, é tão difícil considerar figuras com tamanho de 50 a 100 nm!
Para criar estruturas planas de origami de DNA, moléculas adjacentes de fita dupla devem ser conectadas umas às outras por um cruzamento, um tipo especial de entrelaçamento de fitas de DNA. Esse emaranhamento "cola" as cadeias vizinhas por meio do emparelhamento complementar Watson-Crick e evita que toda a estrutura se desfaça. Dado o grande número de cadeias de ligação, são necessários algoritmos para calcular a probabilidade de seu ajuste exato na cadeia principal. Se o clipe de DNA estiver no lugar errado, isso pode levar a um defeito na estrutura e a uma confusão completa no encaixe de todos os outros clipes. No pior dos casos, isso pode fazer com que a estrutura não seja montada. Ainda assim, a automontagem de moléculas em uma estrutura perfeitamente plana não é uma tarefa tão fácil.
Figura 4. A precisão da imagem coletada pode ser bastante alta e literalmente no limite da resolução dos instrumentos modernos. É possível garantir que os grampos de cabelo do DNA sejam eliminados em uma “tela de DNA” plana e plana em locais predeterminados. Parece que um padrão foi feito com nós em um pedaço de tecido. Foi assim que foi montado o mapa do hemisfério ocidental da Terra, que só podia ser visto com o auxílio do AFM (a, b).
Estruturas bidimensionais baseadas em origami de DNA permitem alcançar não apenas uma grande variedade de formas, mas com a ajuda dessa técnica é possível obter uma precisão sem precedentes na colocação dos grupos funcionais e moléculas necessários. Moléculas ligadas a grampos de DNA podem ser colocadas com uma precisão de alguns nanômetros e até angstroms (se montadas corretamente)!
Se você deseja montar uma estrutura maior, basta conectar várias correntes longas em uma estrutura composta, como em um designer ou grandes figuras de origami. Na prática, isso pode ser feito da mesma forma que foi descrito para uma única molécula de DNA de andaime - você precisa misturar todos os ingredientes do futuro objeto em um tubo de ensaio, aquecê-lo e esperar por um milagre ou montar cada um peça separadamente e, em seguida, combine os elementos prontos para montagem final com calor menos intenso. Na primeira abordagem, temos que trabalhar com um número suficientemente grande de componentes, o que aumenta a probabilidade de montagem incorreta de moléculas. Ao montar peças separadamente, é necessário realizar vários experimentos independentes e dar uma etapa adicional - recozimento repetido de pequenas estruturas quando aquecidas a uma temperatura de 50 °C. Nessa temperatura, as peças ainda não se desfazem, mas já se associam mais facilmente umas às outras [,].
origami de DNA 3D
Com algumas modificações, a abordagem usada para projetar estruturas planas pode ser generalizada para um caso volumétrico mais complexo. Ao construir estruturas 3D, você pode, como antes, usar cruzamentos, levando em consideração a terceira dimensão adicional, e coletar tudo em um experimento, ou você precisa começar com objetos de DNA planos montados separadamente e só então combiná-los no design final. A escolha da sequência correta de ações no caso de origami de DNA tridimensional é extremamente importante devido ao número significativamente maior de moléculas utilizadas. Para estruturas particularmente complexas (especialmente ao escolher a primeira estratégia de montagem em um experimento), a automontagem do objeto pode levar vários dias.
Apesar de todas as dificuldades que podem surgir, as estruturas tridimensionais são tão atraentes para os pesquisadores! Afinal, os objetos volumétricos, devido à variedade de formas possíveis, podem ser utilizados nos mais diversos problemas aplicados.
Figura 5. "Caixa" de DNA com tampa de abertura e "fechadura" molecular. Recebido no Centro Dinamarquês de Nanotecnologia de DNA em 2009. Supõe-se que, no futuro, tal projeto será usado para a entrega de drogas direcionadas a certas células, onde será aberto usando uma “chave” molecular.
Assim, usando vários quadrados idênticos, os cientistas conseguiram montar um cubo oco (embora um pouco deformado). Para eliminar falhas de projeto, os pesquisadores anexaram uma tampa a esse cubo, que foi trancado com uma trava do tamanho de um nanômetro. A abertura da tampa pode ser controlada alterando a conformação da fechadura por meio do acasalamento com pequenas "chaves de DNA" (Fig. 5). Para garantir que o cubo esteja travado com segurança e seja aberto apenas com uma determinada chave, o efeito FRET ajudou. Ao mesmo tempo, esse projeto tornou-se um dos primeiros recipientes desse tipo para a administração de medicamentos direcionados. Até agora apenas no futuro, é claro.
A próxima etapa no projeto de objetos 3D foi a montagem dos blocos de construção, que posteriormente foram fixados como peças de um kit de construção (mais sobre isso pode ser encontrado em).
Glossário
Aplicações do origami de DNA: chips de DNA, máquinas moleculares e nanorobôs
Até agora, tocamos principalmente no processo de projetar e montar origami de DNA e quase nunca mencionamos por que tudo isso é necessário. E, de fato, porque as estruturas do DNA não são desenvolvidas para admirá-las e obter prazer estético! As modernas nanotecnologias de DNA visam resolver vários problemas aplicados relacionados à medicina, biotecnologia e programação.
As construções de DNA podem carregar na superfície vários grupos funcionais estritamente orientados que se ligam especificamente a uma ou outra molécula e, assim, registram sua presença. Nos casos mais simples, um clipe especial de DNA é sintetizado com uma sequência complementar a uma molécula de RNA ou DNA em solução. Ao usar o AFM, podemos até registrar o ato de uma única ligação dessa molécula, pois quando ocorre uma conexão entre a estrutura do origami do DNA e a molécula alvo, esta começa a “saltar” fortemente. Isso é imediatamente evidente ao analisar a imagem.
O uso de ligantes ou aptâmeros permite a criação de verdadeiros chips sensores. Com a ajuda deles, é possível registrar a presença não apenas de moléculas de ácido nucléico de fita simples, mas também de moléculas de proteínas e outros compostos de nosso interesse. Com uma combinação bem-sucedida de circunstâncias, podemos falar sobre a detecção de moléculas individuais.
A capacidade de registro pode ser melhorada fixando estruturas de origami de DNA na superfície do substrato. Nesse caso, o substrato é pré-marcado por métodos de litografia e corrosão, após o que é processado com compostos químicos especiais. Com a preparação adequada da "cabeça de ponte" para o pouso, as estruturas do DNA se alinham exatamente na ordem nos locais de nosso interesse e até na orientação desejada. Tomadas em conjunto, a sequência de tais operações fornece uma colocação bastante precisa de construções de origami de DNA no substrato, que, por sua vez, servem como substrato para uma colocação ainda mais precisa das moléculas estudadas de natureza muito diferente. Chip para uma ampla gama de compostos químicos registrados está pronto para uso!
Uma das áreas mais interessantes da nanotecnologia de DNA é a criação de máquinas moleculares que possam realizar várias operações com o mínimo de envolvimento humano. Por exemplo, Ned Seaman e seus colegas construíram uma máquina de DNA ambulante com duas pernas. Em um substrato pré-projetado (também feito de DNA), eles colocaram várias outras máquinas simples de DNA que continham nanopartículas de ouro e poderiam liberá-las quando mudassem de conformação. O nosso “pedestre molecular” caminhou ao longo do substrato (por uma estrada previamente conhecida, que também teve de ser montada) e, quando se aproximou dos transportadores de ouro, retirou deles uma nanopartícula de ouro! Tendo conseguido um pouco de ouro, nosso herói não se acalmou e foi para a próxima parte da mineração de ouro. No final dos experimentos, o ganancioso pedestre de DNA deveria ter se enriquecido muito bem!
Para demonstrar a possibilidade de movimento programável de máquinas moleculares, outro grupo de pesquisadores montou uma "aranha" de DNA com três pernas e uma cauda. (Acabou sendo uma aranha estranha, claro, mas vamos fechar os olhos para isso.) Grupos moleculares funcionais foram presos às pernas da “aranha” do DNA, o que possibilitou o movimento ao longo de uma trilha especialmente criada para este propósito. A aranha foi amarrada por um cadeado molecular em sua cauda logo no início de sua jornada; então, depois de ligar a molécula de bloqueio à molécula de chave, ele foi solto e fugiu para explorar o mundo! O movimento do DNA da aranha foi filmado em tempo real por meio de microscopia de reflexão interna total - sua velocidade média foi de 3 nm/min. Aparentemente, ele não fugiu, mas caminhou com prazer em seu caminho.
Grandes esperanças são colocadas em origami de DNA e outras nanotecnologias de DNA em conexão com a questão da entrega de drogas direcionadas às células necessitadas. Infelizmente, esta área não tem se desenvolvido tão bem quanto as outras, estando ainda em fase de intensa pesquisa. Resta acreditar que as descobertas relacionadas aos robôs de DNA servindo em benefício da saúde e da humanidade como um todo ainda estão por vir!
Em vez de uma conclusão
Até o momento, cientistas de diferentes países coletaram uma grande quantidade de dados experimentais e descreveram um grande número de mecanismos baseados em tecnologias de DNA, que ainda precisam ser totalmente compreendidos e avaliados. Mesmo agora, não é possível descrever em detalhes cada uma das estruturas obtidas e suas vantagens sobre as outras. Afinal, se apenas 10 anos atrás apenas alguns laboratórios ao redor do mundo estavam envolvidos em pesquisas desse tipo, agora seu número é estimado em várias dezenas. Com relação ao futuro deste campo da ciência, apenas uma coisa pode ser dita com certeza - será ainda mais interessante no futuro! Para convencê-lo disso, aqui está o título de um artigo publicado em abril de 2014 - "Computação universal por robôs de origami de DNA em um animal vivo", que descreve o uso de nanorobôs de DNA em baratas vivas Automontagem bidimensional programada de várias peças de quebra-cabeça de origami de DNA. ACS Nano 5, 665-671; ;
- Tutorial: formar conhecimentos iniciais sobre a estrutura, composição química e funções da molécula de DNA.
- Em desenvolvimento: promover o crescimento de uma posição de vida ativa, desenvolver a capacidade de analisar e aplicar os conhecimentos adquiridos na vida.
- Educacional: cultivar o sentido de responsabilidade pela própria vida, pela vida dos futuros filhos; incutir um amor pela natureza.
Auxílios educativos e visuais:
- cartões de tarefas individuais para verificação do material coberto em três versões
- gravador de áudio
- cartões de prazo
- modelo de demonstração de DNA
- um conjunto de fios coloridos para fazer "seu" DNA
- conjunto de lápis de cor
durante as aulas
1. Discurso introdutório do professor.
"A natureza é a coisa mais importante, e tudo é feito de acordo com suas leis, e nós somos uma partícula da própria natureza e também vivemos de acordo com suas leis, e as mesmas forças operam dentro de nós." Estas são palavras do livro, o autor do famoso "Sistema de Endurecimento - Treinamento Humano" - P.K. Ivanov.
Vamos tentar definir as palavras-chave aqui:
NATUREZA, LEIS DO "PODER" DENTRO DE NÓS.
Estamos familiarizados com esses conceitos dos cursos de física, química, biologia. Mas quais forças estão dentro de nós, como elas agem - aprenderemos no decorrer da aula.
2. Faça aquecimento.
Como você já sabe, as células contêm cerca de 80 elementos químicos diferentes.
Eles têm uma variedade de efeitos sobre as propriedades e processos em organismos vivos.
Então a tarefa é:
Opção I - o efeito dos elementos no corpo:
Ca, Fe, Md, I, Zn.
Opção II - nomeie os macroelementos, microelementos, ultramicroelementos (sinais químicos, % de conteúdo).
III opção - responda às perguntas:
Quais substâncias são classificadas como inorgânicas
Quais substâncias são classificadas como orgânicas
O que significa "inorgânico"?
O que significa "orgânico"?
Todos os organismos vivos consistem em ... (música calma liga)
3. Aprender novos materiais.
Sabe-se que um conto de fadas é uma mentira, mas há uma dica nele e uma lição incomum é obtida. Aula sem tema.
Tarefa problema:
Determine o título do tópico da lição durante a explicação. Então, vou contar um conto de fadas e você vai fixar "dicas" no seu caderno.
Num certo reino, um estado intracelular, vivia um núcleo. Tão redondo e fofo. E o nome é tão simples - o Núcleo (um diagrama é traçado no quadro no decorrer da história). (Imagem 1)
A vida não era difícil. O estado é pelo menos pequeno, mas como deveria ser, as bordas eram (concha) e um fosso com um líquido viscoso (citoplasma). Piranhas viviam lá (lisossomos). Quando comerciantes ultramarinos, astutos, transportavam mercadorias através da fronteira (metabolismo), os lisossomos monitoravam rigorosamente a qualidade e digeriam imediatamente produtos de baixa qualidade: junto com os comerciantes.
O núcleo ficou orgulhoso por ser tão importante. Os comerciantes à sua frente "quebraram os chapéus" e atribuíram-lhe um título próprio, no exterior. Desde então, o núcleo tem sido chamado sabiamente - NÚCLEO (no decorrer da aula, cartões com tarefas são anexados ao quadro).
Tempo passou. Núcleo está triste, não tem com quem conversar, pensou em passar a herança, pensou e resolveu criar um filho pequeno do seu corpo (nucleotídeos).
Decompõe nucleotídeos:
Bem aqui adenil(A) aqui citidilo(C), aqui timina(T), bem, aqui guanil(G).
Sim, nada funciona. Felizmente os convidados apareceram. Um amigo do peito veio - uma enzima e primos - um hidrogênio e uma ligação covalente. Então o ATF veio correndo. Todos se gabavam de como ela era versátil.
Todos começaram a trabalhar juntos - os nucleotídeos estão dispostos.
A ligação covalente é a mais inteligente, mais forte, começou a dobrar os nucleotídeos aos pares, não ao acaso, mas com sentimento. E a sensação é complementaridade" é chamado. (Figura 2)
Aqui interveio a ponte de hidrogênio: "Embora eu seja fraco, também ajudarei; vamos, vou torcer tudo corretamente." E "torcer". Ficou lindo. (Figura 3)
A enzima imediatamente deu um nome ao recém-nascido - polinucleotídeo, E então ATF como gritar (já uma pessoa muito enérgica):
"É uma menina! Olha, ela tem cintura!" Nada para fazer. Outro nome foi escolhido. Lembrei. Havia uma avó no núcleo, o nome dela era - Desoxirribose. Então eles decidiram nomear o recém-nascido - ácido desoxirribonucléico, em suma - DNA. Aqui termina o conto de fadas, e quem ouviu: vai citar o tema da aula:
"Nascimento do DNA"
4. Consolidação - "Construa seu DNA."
(A partir do fio colorido, cada um faz o "seu" DNA)
uma super-hélice de fita dupla é obtida
5. Conclusões.
E quando o DNA cresceu, ganhei um passaporte, passei a fazer parte do cromossomo, consegui um emprego lá: armazena e transmite informações genéticas.
Talvez sejam as "forças dentro de nós".
6. Lição de casa.
a) oral - minha descoberta hoje
O que mudou na minha visão de mundo
b) escrito - escreva as regras de conduta em relação a todos os seres vivos em nome de: um lobo, uma lebre, uma cenoura.
