Vrei să-ți faci propriul model de ADN - elementul de bază al vieții? Apoi dezlănțuiți-vă creatorul interior și creați un model ADN folosind argilă polimerică sau sârmă cu margele pentru un model care cu siguranță va câștiga primul loc la orice târg de știință.
Metoda 1 din 2: Realizarea unui model de lut
- Dacă intenționați să vă expuneți modelul la o expoziție, pregătiți un stand pe care să îl puteți amplasa. Aceasta ar putea fi o placă mică de lemn cu o tijă care iese din centrul său de care va fi atașată catena de ADN.
- Odată ce ați terminat de modelat argila polimerică, va trebui să o coaceți, așa că asigurați-vă că aveți și un cuptor în stare de funcționare.
- Pentru a oferi suport suplimentar pentru modelul ADN, puteți utiliza fir flexibil în el.
Creați două fire lungi care vor forma un dublu helix. Selectează argilă polimerică din una dintre culorile alese de tine și rulează-o în două bucăți de 30 de centimetri lungime și un centimetru și jumătate grosime. Acestea vor forma firele laterale de ADN, așa că este necesar să se asigure rezistența acestora, astfel încât alte părți să poată fi atașate în siguranță de fire.
- Pentru a adăuga un plus de stabilitate modelului, puteți înfășura argila în jurul a două bucăți lungi de sârmă flexibilă.
- Puteți modifica în mod liber dimensiunea firului modelului dvs. ADN pentru a se potrivi tuturor cerințelor dvs. Pentru a crea un model mai scurt, pur și simplu reduceți dimensiunea firelor cu dublu helix.
Adăugați grupele de zahăr și fosfat. Catenele duble elice de ADN sunt formate din două tipuri de grupe: zaharuri și fosfați. Utilizați una dintre argilele polimerice colorate pentru a modela grupările de fosfat pe o spirală dublă.
- Întindeți argila de culoarea aleasă de dvs. pentru grupele de fosfat până când este netedă. Tăiați fâșii de lut lungi și late de un centimetru și jumătate.
- Începând de la partea de jos a benzilor lungi de dublu helix, înfășurați bucăți de argilă de fosfat plată în jurul firului.
- Asigurați-vă că sunt presate bine în firul spiralei și că nu vor cădea.
- Treceți un centimetru și jumătate de spațiu gol între bucățile de argilă fosfatică pe un fir. Spațiile goale din firele cu dublu helix reprezintă grupuri de zaharuri.
- Continuați să alternați zaharurile argiloase și fosfații la un centimetru și jumătate distanță până ați umplut ambele fire ale dublei spirale.
Acestea sunt cele patru baze azotate care alcătuiesc catena ADN: citozină, guanină, adenină și timină. Ele formează treptele „scării” între cele două fire ale dublei spirale. Selectați o culoare de argilă polimerică pentru fiecare dintre cele patru baze.
- Rulați fiecare culoare de lut în bucăți de un centimetru și jumătate lungime și jumătate de centimetru lățime. Folosește un cuțit pentru a tăia marginile și a da suprafeței un finisaj neted.
- Numărați numărul de grupuri de zahăr pe care le-ați creat pe șuvița cu dublu helix. Acesta este numărul de perechi de baze de azot pe care va trebui să le faci.
- Puneți culorile în perechi în grupuri adecvate. Citozina și guanina ar trebui să fie întotdeauna împreună (în orice ordine), precum și timina și adenina.
- Dacă doriți să oferiți bazelor de azot mai multă stabilitate, tăiați bucăți de sârmă flexibilă de aproximativ doi centimetri și jumătate și folosiți-le ca piese centrale ale bazelor de lut.
- Combină perechi de culori prin ciupirea marginilor pieselor tale de un inch și jumătate. Odată ce piesele colorate sunt conectate la mijloc, rulați-le cu grijă într-o bucată netedă și solidă de lut.
Atașați bazele azotate la dublu helix. Odată ce ați realizat toate lungimile de 2,5 cm de baze azotate, va trebui să le atașați la dublu helix.
- Începeți cu primul grup de pe dublu helix. Folosiți bucăți mici de lut de mărimea unui bob de mazăre, care au aceeași culoare cu grupul de zahăr.
- Atașați una dintre bazele azotate la zahăr folosind o bucată mică de lut. Ciupește bucățile de lut împreună și netezește marginile rulându-le cu degetele.
- Cel mai ușor va fi să atașați toate piesele de baze azotate pe o parte a doar uneia dintre firele dublei helix. Apoi, când toate bazele de 2,5 cm ies dintr-un fir dublu helix, atașați un al doilea fir pe partea opusă.
- Asigurați-vă că toate piesele sunt bine fixate. Dacă v-ați atașat bazele de azot în sârmă, puteți lipi capetele firului în firele cu dublu helix pentru a le fixa mai bine.
Îndoiți un dublu helix. Pentru a da modelului dvs. ADN forma clasică elicoidă, țineți ambele capete ale dublei spirale și rotiți-le în sens invers acelor de ceasornic.
Coace-ți modelul. Urmați instrucțiunile de pe pachetul de argilă polimerică și apoi coaceți modelul pentru a-l întări.
- Dacă aveți hârtie ceară, coaceți modelul pe ea pentru a preveni lipirea modelului de tavă.
- Lăsați întotdeauna modelul să se răcească înainte de a-l scoate, altfel vă puteți arde.
Odată ce modelul este copt și răcit, arată roadele muncii tale! Agățați-l de tavan cu un fir de pescuit sau atașați-l de un suport de lemn.
Achiziționați materiale și unelte. Pentru a face un model ADN din argilă, va trebui mai întâi să cumpărați orice argilă care vă place. Puteți realiza un model dacă aveți cel puțin șase culori de argilă polimerică, precum și instrumentele pe care le veți folosi pentru a modela argila (de exemplu, un cuțit de plastic sau sucitor).
Metoda 2 din 2: Crearea unui model din sârmă și margele
Adunați materiale. Pentru acest proiect veți avea nevoie de câțiva metri de sârmă flexibilă, tăietori de sârmă și margele la alegere.
- Dacă doriți să îmbunătățiți calitatea modelului dvs., puteți utiliza un fier de lipit pentru a atașa ferm piesele între ele.
- Puteți folosi orice margele, dar margelele de sticlă vor oferi designului un aspect mai frumos. Dacă doriți, puteți adăuga margele ca separator între margelele mai mari.
- Pentru a se potrivi cu dimensiunea dorită a modelului, veți avea nevoie de suficiente margele în cel puțin șase culori.
- Dacă aveți de gând să vă expuneți modelul, faceți un stand din lemn de care să vă atașați modelul.
Faceți un dublu helix. Este alcătuit din două fire laterale lungi care țin întreaga moleculă de ADN și îi dau forma unei scări. Tăiați două bucăți de sârmă de lungime egală. Aceste piese vor servi drept scheletul modelului ADN, așa că alegeți lungimea lor în funcție de lungimea întregului model.
- Selectați două culori de margele și atașați una la fiecare capăt al firului. Treceți firul prin mărgele a doua oară, creând o buclă la capătul firului. Acest lucru va împiedica alunecarea mărgelelor.
- Atașați alternativ margele de două culori la sârmă. Cele două culori reprezintă grupele de zahăr și fosfat care formează partea lungă a dublei helix.
- Puteți trece una sau mai multe margele de fiecare culoare, dar asigurați-vă că aveți același număr de margele de fiecare culoare pe sârmă.
- Faceți același lucru pentru a doua bucată de sârmă cu dublu helix, asigurându-vă că culorile celor două margele (zahăr și fosfați) de pe cele două fire de sârmă aflate unul lângă celălalt se potrivesc.
- Lăsați un centimetru de spațiu neumplut în partea de sus a firului, astfel încât să puteți atașa „treptele scării” în golurile dintre margele.
Adăugați „trepte de scară”. Numărați numărul de grupe de zahăr pe care le-ați făcut pe dublu helix și apoi tăiați bucăți de sârmă de 2,5 cm în aceeași cantitate.
- Înfășurați capetele unei bucăți de sârmă în jurul firului dublu helix al mărgelei de zahăr. Faceți acest lucru pentru toate bucățile de sârmă, astfel încât să aveți o șuviță completă cu dublu helix, cu bucățile de sârmă ieșite în afară.
- Dacă doriți să faceți un model ADN mai decorativ și mai durabil, utilizați un fier de lipit pentru a lipi bucăți de sârmă pe șuvița cu dublu helix.
Faceți baze azotate. Selectați alte patru culori și atribuiți fiecăreia o bază azotată. Guanina și citozina sunt întotdeauna împerecheate, la fel ca timina și adenina.
- Pentru a umple fiecare bucată mică de sârmă, probabil că veți avea nevoie de multe margele, așa că atunci când atașați margele la sârmă, alegeți un număr egal dintre ele atribuite fiecărei baze azotate.
- Asigurați-vă că păstrați perechile de margele grupate. Împreună întotdeauna citozina și guanina, precum și timina și adenina. Cu toate acestea, le puteți plasa în orice ordine și puteți face unele perechi mai mult decât altele.
Înșiră bazele azotate. Odată ce ți-ai separat toate margelele, așezați-le pe ramurile de sârmă care ies din șuvița dublu helix. Asigurați-vă că lăsați 1,5 centimetri la capătul firului pentru a-l atașa la celălalt șuviș dublu helix.
Atașați al doilea șuviș dublu helix. După adăugarea tuturor bilelor de bază de azot, pregătiți și atașați a doua șuviță a dublei spirale. Orientați partea laterală pentru a reflecta prima bază de azot și atașați bucățile de sârmă.
- Puteți înfășura bucățile de sârmă în jurul helixului dublu folosind un clește cu vârf. Atașați aceste bucăți mici de sârmă în același loc în care ați făcut-o pentru șuvița opusă a dublei spirale.
- Dacă puteți, utilizați un fier de lipit pentru a lipi ultimele bucăți de sârmă împreună, ceea ce va oferi modelului un aspect mai fin.
Sigilați capetele modelului. Pentru a preveni căderea mărgelelor din model, răsuciți firul de la fiecare capăt al șuvițelor cu dublu helix într-o buclă. De asemenea, puteți lipi firul în forme de noduri pentru a preveni împrăștierea margelelor.
Îndoiți un dublu helix. Pentru a crea forma clasică elicoidală a unui fir de ADN, prindeți-o de capete și răsuciți-o ușor în sens invers acelor de ceasornic.
Pune-ți modelul pe ecran. Odată ce ai adăugat toate finisajele, modelul tău este complet! Agățați-l de un dispozitiv suspendat sau de tavan sau atașați-l de un suport de lemn folosind puțină sârmă sau lipici. Arată tuturor lucrările tale!
- Dacă folosiți un cuptor sau un fier de lipit pentru a crea un model ADN, aveți grijă să nu vă ardeți.
- Ambele metode sunt prea dificile pentru copii, așa că dacă faceți un model pentru un proiect școlar, asigurați-vă că ajutoarele dvs. sunt suficient de mari pentru a nu se răni atunci când manipulează materialele.
Mulți oameni știu probabil cât de ușor este să reproducă o parte din propriul lor ADN. Procesul este în esență simplu. Dar apoi sunt atât de multe șochiuri entuziaste din seria „oh, cum arată el/ea ca tata/mama!” Cu toate acestea, sarcina devine mult mai complicată atunci când trebuie să creați un fel de model ADN abstract pe biroul dvs. din materiale vechi.
De ce aveam nevoie de asta, te întrebi? Foarte simplu. Fiica mea are o materie la școală asemănătoare „biologiei” din școlile rusești. În consecință, studenților li s-a atribuit un proiect acasă, care a inclus nu numai obținerea de cunoștințe teoretice despre structura ADN-ului, ci și crearea unui model al acestuia. Cu acest model, trebuie să vorbiți în fața profesorului și a clasei, spunând ce este în el și cum.
În general, aceasta nu va fi tocmai postarea „mea”. Este mai degrabă dedicat fiicei sale. Deși am luat parte la proces, această participare s-a limitat în principal la consultanță... Totuși, ce se întâmplă dacă cineva este interesat sau dacă copilul cuiva la școală i se cere să facă un lucru similar. Deci ghidul este gata.
În funcție de condițiile problemei, modelul trebuie să îndeplinească anumite cerințe. Este interesant că elevul însuși poate alege ce condiții va îndeplini. Fiecare punct al prezentării „cântărește” un anumit număr de puncte de credit. În consecință, puteți urma calea simplă și puteți obține un anumit punctaj minim de trecere sau puteți încerca să implementați „programul maxim”.
Declarația inițială a problemei:
De asemenea, după cum rezultă din problemă, acesta nu trebuie să fie neapărat un model. Acesta poate fi orice, de la o carte de povești la un puzzle. Principalul lucru este că are o anumită reprezentare fizică. Se remarcă separat faptul că, dacă un student decide să facă un model, atunci este interzisă utilizarea unui kit de magazin gata făcut. Ceva de genul acesta, de exemplu.
Fiica mea a decis să facă un model și să încerce să marcheze numărul maxim de puncte. BINE.
Am început cu un model de calculator... de fapt nu sunt un sudor adevărat. Ei bine, adică, în termeni generali, știu ce este ADN-ul, în ce constă și cum este de obicei descris. Nu mai. Prin urmare, încă de la primii pași, fiica a luat inițiativa. Ea a putut să-mi explice ce este făcut din ce și ce este atașat de ce.
S-a dovedit ceva de genul:
Când a devenit clar. De ce piese avem nevoie, ne-am dus la cumparaturi.Vei avea nevoie de: bile de spuma de doua dimensiuni, tije de lemn, vopsea, lipici si o bucata de MDF pentru stand.
Oh, da... Cu siguranță vei avea nevoie și de un câine:
Sincer să fiu, eu însumi nu înțeleg de ce naiba este nevoie de Câine, dar el însuși a avut destulă încredere în asta pentru noi toți. De fapt, tocmai se punea în cale... Dar poate că am înțeles greșit ceva.
Bilele de polistiren au fost cumpărate de la magazinul cu dolari. În secțiunea „totul pentru petreceri”. Nici nu vreau să încerc să-mi dau seama cum ar putea fi folosite bilele de spumă în contextul unei petreceri. Dar e bine că au fost găsite. Acesta a fost cel mai problematic moment al nostru. Era necesar să se găsească bile care să fie ușor de prelucrat. De exemplu, margelele de sticlă nu vor funcționa - te vei sătura de găurire. De lemn... În principiu, s-ar potrivi. Pentru mine. Dar fiica mea trebuia să facă treaba și mă îndoiam că va fi capabilă să străpungă uniform o minge de lemn cu un burghiu de mână exact așa. Jumătate dintre ei vor fi constipați din obișnuință. Și sunt destul de scumpe. Era nevoie de un material mai moale și mai ieftin. Spuma se potrivește perfect.
Lamele de lemn au fost achiziționate de la un magazin de materiale de construcție. Aceste tije sunt omoloage mai subțiri cu cele pe care le-am folosit pentru a decora patul și noptierele. Nu au fost probleme cu asta. Sunt întotdeauna disponibile într-o mare varietate în toate magazinele de construcții.
Vopsele/clei – banal. Am luat vopsea obișnuită cu aerosoli. Mai întâi am încercat-o pe una dintre bile - vopseaua nu a mâncat spuma. În consecință, am cumpărat numărul necesar de flori. Adezivul este PVA obișnuit.
Aveam deja o bucată de panou MDF pentru suport în depozitul meu. Poți începe să lucrezi.
Mai întâi standul. Fiica mea a ascultat sfatul meu și a tipărit un șablon, pe care l-a lipit pe o bucată de MDF:
Opțiunea ei a fost să găsească o farfurie cu un diametru potrivit și să deseneze un cerc în jurul ei. Dar am reușit să o conving că această cale nu este calea samurailor. Cine altcineva decât mine ar trebui să știe că în gospodăria noastră nu avem farfurioare cu un diametru adecvat cu o margine netedă - toate au o margine ondulată. Am înotat deja - știm :-)
În mod surprinzător, a tăiat lin. chiar m-am speriat putin...
Ea a îndepărtat neregulile minore de-a lungul marginii folosind un șlefuitor:
Pentru a conferi suportului un aspect estetic, marginea acestuia a fost prelucrată cu o freză:
Rezultatul este un disc ca acesta:
Ei bine, gaura din centru în care va fi introdus modelul:
Urmează operațiunea plictisitoare în sine. A fost necesar să luați o minge de spumă și să găuriți în ea două găuri transversale. Prin prima gaură, o astfel de minge este plasată pe o axă comună, într-o altă gaură, bastoane transversale sunt înfipte la ambele capete. Zece dintre aceste bile trebuiau făcute:
A fost cel mai greu pentru mine. Nu-ți poți imagina ce tortură este să stai și să privești. În loc să apucați singur un Dremel și să găuriți rapid totul în câteva minute. Fiica mea a terminat-o în aproximativ o jumătate de oră... Maniera metodică pe îndelete cu care a făcut toate acestea pur și simplu m-a omorât :-)
Ea a numit rezultatul un shish kebab:
Acum a trebuit să punem bețe de cruce în kebab. Toate au fost tăiate din aceeași tijă de lemn ca axa centrală:
Din nou, a vrut să taie bețele cu un ferăstrău, dar am reușit să o conving că un disc de tăiere și un Dremel sunt mult mai rapide.
Următorul pas: luați bastoanele primite:
... și îndesați-le în kebab obținut mai devreme:
Acest lucru a fost necesar pentru a lipi bilele centrale (apropo, aceasta nu este niște prostii, ci adevărate legături de hidrogen) de un baston comun. În fotografie puteți vedea că la baza pe care sunt marcate segmentele este atașat un alt șablon. Barele transversale sunt înfipte în minge, lipiciul este aplicat pe axa centrală, mingea este setată la înălțimea dorită și rotită de-a lungul sectorului dorit al marcajului. Acestea. În această etapă, barele transversale ajută la poziționarea mingii centrale cu unghiul de rotație dorit. Repetați de zece ori:
După aceasta, traversele pot fi îndepărtate și piesele pot fi trimise pentru vopsire:
Odată ce totul a fost uscat, am început asamblarea finală.
Fiecare baton transversal avea atasata o dezoxiriboza... Cred... Deoxiriboza in original. Câinele lui știe ce este... Nu contează. Principalul lucru este că fiica știe ce este. Depinde de ea să împingă cadoul în fața profesorului, nu de mine :-)
Aceste bile ar trebui să fie albe, așa că nu a fost nevoie să le pictezi:
Procesul lung și minuțios de asamblare a modelului:
Tot ce rămâne este să adăugați lanțuri de fosfat. Din câte înțelegem, ele sunt de obicei descrise sub forma acelei elice duble foarte recunoscute.
Două panglici au fost tăiate din hârtie groasă, argintie:
Aceste benzi sunt lipite de vârfurile bilelor cele mai exterioare ale modelului. Ca aceasta:
În această etapă m-am implicat personal pentru prima dată. Două mâini nu erau suficiente. Este necesar ca o persoană să țină și să ghideze benzile, iar a doua să aplice lipici și să preseze.
Cel puțin, am reușit această procedură, obținând în cele din urmă modelul dorit:
În funcție de condițiile sarcinii, a fost necesară și desemnarea tuturor pieselor de schimb. Am decis să ne limităm să lipim legenda de stand. Din fericire, imprimanta a rămas fără cerneală color. Prin urmare, a trebuit să printez o versiune alb/n și să o colorez cu pixuri:
Nici laminarea nu a funcționat prima dată. Unitatea a mestecat două etichete înainte de a face a treia în mod normal:
Nu știu care a fost problema. Am folosit deja această unitate de o sută de ori și nu a mestecat niciodată nimic înainte... Într-un fel sau altul, ne-am primit eticheta:
Modelul este gata:
Acum fiica mea trebuie să memoreze partea orală a prezentării. Dar nu o mai pot ajuta cu asta. Sper că ea se poate descurca singură. Mai are încă o săptămână pentru a înghesui partea teoretică. Voi scrie mai târziu cum m-am descurcat cu proiectul...
Plierea unei macarale de hârtie este ușor! A face o macara dintr-o moleculă de ADN... este, de asemenea, ușor! Cu puțină perseverență și îndemânare, puteți crea adevărate opere de artă din hârtie cu propriile mâini. Moleculele de ADN, la rândul lor, nu necesită abilități speciale și sunt asamblate în structuri frumoase, cum ar fi origami, ușor și natural! Sună a delirii unui nebun, spui tu. Deloc! În acest articol, veți învăța cum să vă creați propria figurină origami ADN, cum să furați aurul folosind roboți și cine ar câștiga într-o luptă între un gândac și o mașină ADN.
Această lucrare este publicată ca parte a unui concurs de articole științifice de popularitate organizat la conferința „Biologie - Știința secolului 21” în 2014.
Origami ADN și nanotehnologiile ADN asociate au format un domeniu științific separat în ultimul deceniu și au primit o dezvoltare rapidă în activitatea mai multor grupuri științifice din întreaga lume. În general, termenul „ADN origami” ascunde o tehnologie de construcție direcționată a moleculelor de ADN capabile să se auto-asambla în obiecte precalculate și simulate. Astfel de modele pot fi fie plate, fie tridimensionale, destul de simple și extrem de complicate. Totul este la fel ca în arta japoneză de a împături o foaie de hârtie, doar că aici în loc de o foaie de hârtie există un fir de ADN!
La fel ca multe descoperiri și dezvoltări științifice, această direcție a apărut, într-un fel, întâmplător și neașteptat. Pentru prima dată, omul de știință american Ned Seaman ( Ned Seeman) la începutul anilor 1980. Cercetătorul a subliniat una dintre principalele dificultăți ale metodei cristalografiei cu raze X (folosită atunci și până în prezent pentru a determina structura moleculelor de proteine), și anume necesitatea de a selecta condiții precise pentru obținerea unui cristal „pur”, prin care poate judeca structura proteinei și își stabilește ca scop dezvoltarea tehnologiei auxiliare pentru fixarea probelor de proteine (Fig. 1). Pentru a rezolva problemele, a fost mai întâi necesar să ne dăm seama cum să asamblați moleculele de ADN în structurile necesare, în funcție de propria dorință și înțelegere.
Poza 1. A. Gravura în lemn „Depth” creată de Maurits Cornelis Escher în 1955. Se spune că în timp ce privea această operă de artă în cantina universității, Ned Seaman a fost inspirat să creeze o nouă tehnologie care să simplifice cristalizarea polipeptidelor și, prin urmare, studiile structurale ale proteinelor. Ceva a mers prost în determinarea organizării spațiale a proteinelor, dar ideile lui Seaman au fost preluate de alți cercetători și au condus la apariția origami-ului ADN. B. Schema procesului de cristalizare a proteinelor, desenată ÎN. Ideea structurilor ADN pentru orientarea corectă a moleculelor în spațiu, descrisă de Seeman (traducere de către autorul articolului).
Căutarea și descrierea diferitelor proprietăți ale constructelor ADN elementare a durat câțiva ani. În 1991, Ned Seaman a introdus un cub de nanometri ale cărui margini reprezentau molecule de ADN. După ceva timp, în ciuda scepticismului unor oameni de știință, lucrarea a fost recunoscută ca fiind remarcabilă. Pentru ea, Ned Seaman a fost distins cu Premiul Feynman pentru nanotehnologie în 1995 și a intrat pentru totdeauna în istoria științei drept creatorul primei nanotehnologii ADN.
Rezultatele lui Ned Seaman și laboratorul său au servit drept fundație pentru ideile unui alt cercetător genial și, fără exagerare, unei figuri majore în domeniul origami-ului ADN - americanul Paul Rothemund. În 2006, a publicat un articol în cea mai autorizată publicație științifică Natură, care a descris o metodă de obținere a structurilor ADN precise cu o formă dată și, de asemenea, a prezentat rezultate detaliate și analiza unui astfel de design țintit. Spre deosebire de alți cercetători, el a reușit să construiască nu rețele din molecule individuale, ci figuri plate reale de câteva fire de ADN late (Fig. 2). Acest articol s-a răspândit imediat în reviste de populare știință, știri și bloguri, deoarece structurile și imaginile prezentate au impresionat chiar și cititorul nepregătit științific. Nu este surprinzător că ilustrațiile experimentului au fost prezentate pe coperta revistei.
Figura 2. Unele structuri construite folosind origami ADN și prezentate într-un articol de Paul Rothemund.
În anii următori, au fost publicate câteva zeci de articole despre tehnologia origami ADN. Numărul formelor obținute, dimensiunile structurilor și complexitatea acestora a crescut. Unele dintre rezultate au fost testate experimental pe obiecte biologice reale pentru a rezolva probleme biotehnologice și medicale aplicate.
Origami ADN 2D: de la simplu la complex
Cum pliază oamenii de știință origami ADN-ul? Să ne uităm la detaliile acestei metode. Pentru început, avem nevoie de o moleculă lungă de ADN monocatenar, care va juca rolul unui cadru și baza viitorului nostru obiect. În primele experimente, a fost folosit ADN-ul fagului M13, lungime de 7249 de nucleotide, dar acum, odată cu îmbunătățirea unui număr de tehnologii, au început să fie folosite și alte secvențe de ADN. Apoi, vom avea nevoie de catenele complementare scurte de ADN pre-sintetizate (numite și „catenele de îmbinare” sau „capse de ADN”, de obicei cu lungimea de 30-40 de nucleotide), a căror secvență trebuie selectată folosind modelarea computerizată și analiza structurală. Acum să amestecăm soluțiile cu o moleculă lungă și „clipuri” scurte și să încălzim amestecul la o temperatură de 95 ° C, astfel încât legăturile moleculare aleatorii și inutile să se rupă. În timpul procesului de răcire la temperatura camerei (această procedură se numește recoacere), moleculele de ADN înseși se vor reuni, formând structura de care avem nevoie. Este la fel de simplu - ei înșiși fac totul pentru noi!
Figura 3. A, B ilustrați o diagramă a legăturilor dintre ADN-ul de schelă (curbă gri) și oligonucleotidele de fixare (curbe de diferite culori). ÎN) Diagrama pas cu pas pentru realizarea origami ADN.
Rezultatul experimentului este o soluție care conține constructele ADN dorite. Într-o singură picătură de soluție există miliarde de obiecte minuscule care, spre deosebire de figurile origami din hârtie, nu pot fi atinse, întoarse în mâini sau examinate. Pentru a evalua rezultatul, avem nevoie de un dispozitiv cu rezoluție ultra-înaltă - un microscop cu forță atomică (AFM) sau un microscop electronic. La urma urmei, este atât de dificil să vezi cifre care măsoară 50-100 nm!
Pentru a crea structuri origami ADN plate, moleculele dublu catenare adiacente trebuie să fie conectate între ele printr-un crossover, un tip special de împletire a catenelor de ADN. Această împletire „lipește” lanțurile adiacente prin perechea complementară Watson-Crick și împiedică destrămarea întregii structuri. Având în vedere numărul mare de lanțuri de fixare, sunt necesari algoritmi pentru a calcula probabilitatea potrivirii lor precise pe lanțul principal. Dacă o capsă ADN se află în locul greșit, poate duce atât la un defect structural, cât și la o confuzie completă în potrivirea tuturor celorlalte agrafe. În cel mai rău caz, acest lucru poate duce la ca structura să nu se unească deloc. Totuși, auto-asamblarea moleculelor într-o structură perfect plată nu este o sarcină atât de ușoară.
Figura 4. Precizia modelului colectat poate fi destul de mare și poate fi literalmente în pragul rezoluției dispozitivelor moderne. Este posibil să vă asigurați că agrafele de păr ADN sunt eliminate pe o „pânză ADN” netedă și plată în locuri predeterminate. Se pare că un model a fost făcut cu noduri pe o bucată de material. Exact așa a fost realizată o hartă a emisferei vestice a Pământului, care a putut fi văzută exclusiv cu ajutorul AFM (a, b).
Structurile bidimensionale bazate pe origami ADN permit obținerea nu numai la o mare varietate de forme, dar cu ajutorul acestei tehnici se poate obține o precizie fără precedent în plasarea grupurilor și moleculelor funcționale necesare. Moleculele legate de capse de ADN pot fi plasate cu precizie până la câțiva nanometri și chiar angstromi (dacă sunt asamblate corect)!
Dacă trebuie să asamblați o structură mai mare, trebuie doar să conectați mai multe lanțuri lungi într-o singură structură compozită, ca într-un set de construcție sau figuri mari origami. În practică, acest lucru se poate face în același mod cum a fost descris pentru o moleculă de ADN cu un singur cadru - trebuie să amestecați toate ingredientele viitorului obiect într-o eprubetă, să o încălziți și să așteptați un miracol sau să asamblați fiecare parte separat. , și apoi combinați elementele gata făcute pentru asamblarea finală.încălzire mai puțin intensă. În prima abordare, trebuie să lucrăm cu un număr destul de mare de componente, ceea ce crește probabilitatea de asamblare moleculară incorectă. La asamblarea pieselor separat, este necesar să se efectueze mai multe experimente independente și să se efectueze o etapă suplimentară - recoacere repetată a structurilor mici atunci când sunt încălzite la o temperatură de 50 ° C. La această temperatură, piesele încă nu se destramă, dar sunt mai ușor asociate între ele [,].
Origami ADN 3D
Cu anumite modificări, abordarea utilizată pentru proiectarea structurilor plate poate fi generalizată la un caz volumetric mai complex. Când construiți structuri 3D, puteți, ca și înainte, să utilizați încrucișări, ținând cont de a treia dimensiune suplimentară și să asamblați totul într-un singur experiment sau trebuie să începeți cu obiecte ADN plate asamblate individual și abia apoi să le combinați în structura finală. Alegerea secvenței corecte de pași în cazul origamiului ADN 3D este extrem de importantă datorită numărului semnificativ mai mare de molecule implicate. Pentru structuri deosebit de complexe (mai ales atunci când alegeți prima strategie de asamblare într-un experiment), auto-asamblarea unui obiect poate dura câteva zile.
În ciuda tuturor dificultăților care pot apărea, structurile tridimensionale sunt atât de atractive pentru cercetători! La urma urmei, obiectele tridimensionale, datorită varietății de forme posibile, pot fi utilizate într-o gamă largă de sarcini aplicate diferite.
Figura 5. „Cutie” ADN cu un capac de deschidere și un „lacăt” molecular. Obținut la Centrul Danez pentru Nanotehnologie ADN în 2009. Este de așteptat ca în viitor un astfel de design să fie utilizat pentru livrarea direcționată a medicamentelor către anumite celule, unde va fi deschis folosind o „cheie” moleculară.
Deci, folosind mai multe pătrate identice, oamenii de știință au reușit să asambleze un cub gol (deși ușor deformat). Pentru a elimina defectele de proiectare, cercetătorii au atașat acestui cub un capac, care a fost blocat cu un lacăt de mărime nanometrică. Deschiderea capacului ar putea fi controlată prin schimbarea conformației broaștei prin asociere cu mici „chei ADN” (Fig. 5). Efectul FRET a ajutat să vă asigurați că cubul a fost blocat în siguranță și deschis doar cu o anumită cheie. În același timp, acest design a devenit unul dintre primele containere de acest gen pentru livrarea țintită a medicamentelor. Deocamdată, desigur, doar în viitor.
Următoarea etapă în proiectarea obiectelor 3D a fost asamblarea blocurilor de construcție, care mai târziu au fost fixate împreună ca părți ale unui set de construcție (puteți citi mai multe despre acest lucru în).
Dicţionar
Aplicații ale origami ADN: cipuri ADN, mașini moleculare și nanoroboți
Până acum, ne-am referit în principal la procesul de proiectare și asamblare origami ADN și aproape că nu am menționat de ce este nevoie de toate acestea. Și într-adevăr, structurile ADN nu sunt dezvoltate pentru a le admira și a primi plăcere estetică! Nanotehnologia modernă a ADN-ului are ca scop rezolvarea mai multor probleme aplicate legate de medicină, biotehnologie și programare.
Construcțiile ADN pot purta la suprafață mai multe grupări funcționale strict orientate care leagă în mod specific una sau alta moleculă și, astfel, înregistrează prezența lor. În cele mai simple cazuri, o capsă specială de ADN este sintetizată cu o secvență complementară moleculei de ARN sau ADN în soluție. Atunci când folosim AFM, putem chiar să înregistrăm actul unei singure legături a unei astfel de molecule, deoarece atunci când are loc o conexiune între structura origami ADN și molecula țintă, aceasta din urmă începe să „lipească” puternic. Acest lucru se observă imediat când se analizează imaginea.
Utilizarea liganzilor sau aptamerilor permite crearea unor cipuri senzoriale reale. Cu ajutorul lor, este posibil să se înregistreze prezența nu numai a moleculelor de acid nucleic monocatenar, ci și a moleculelor de proteine și a altor compuși de interes pentru noi. Cu o combinație reușită de circumstanțe, putem vorbi despre detectarea chiar și a unor molecule individuale.
Capacitatea de înregistrare poate fi îmbunătățită prin fixarea structurilor origami ADN pe suprafața unui substrat. În acest caz, substratul este pre-marcat folosind metode de litografie și gravare, după care este tratat cu compuși chimici speciali. Odată cu pregătirea corectă a „springboard-ului” pentru plantare, structurile ADN sunt aliniate exact în ordine în locurile de interes pentru noi și chiar în orientarea dorită. Luate împreună, succesiunea unor astfel de operații are ca rezultat o plasare destul de precisă a structurilor origami ADN pe substrat, care, la rândul lor, servesc ca substrat pentru o plasare și mai precisă a moleculelor studiate de o natură foarte diferită. Cipul pentru o gamă largă de compuși chimici detectabili este gata de utilizare!
Una dintre cele mai interesante domenii ale nanotehnologiei ADN-ului este crearea de mașini moleculare care ar putea efectua diverse operații cu intervenție umană minimă. De exemplu, Ned Seaman și colegii săi au asamblat o mașină de ADN care merge pe jos cu două picioare. Pe un substrat pre-proiectat (de asemenea, făcut din ADN), au plasat alte câteva mașini simple de ADN care țineau nanoparticule de aur și le puteau elibera atunci când își schimbau conformația. „Pietonul nostru molecular” a mers de-a lungul substratului (de-a lungul unui drum cunoscut anterior, care trebuia și el asamblat) și, când s-a găsit aproape de purtătorii de aur, le-a luat o nanoparticulă de aur! După ce a obținut puțin aur, eroul nostru nu s-a calmat și a mers după următoarea porțiune de pradă de aur. La finalul experimentelor, pietonul lacom al DNA ar fi trebuit să se îmbogățească frumos!
Pentru a demonstra capacitățile de mișcare programabile ale mașinilor moleculare, un alt grup de cercetători a asamblat un „păianjen” ADN cu trei picioare și o coadă. (S-a dovedit a fi un păianjen ciudat, desigur, dar vom închide ochii la asta.) Grupuri moleculare funcționale au fost atașate de picioarele „păianjenului” ADN, ceea ce a făcut posibilă deplasarea de-a lungul unei piste special creată. în acest scop. Păianjenul a fost legat de coadă cu o moleculă de blocare chiar la începutul călătoriei sale; apoi, după ce a legat molecula de blocare cu molecula cheie, a fost eliberat și a fugit să exploreze lumea! Mișcarea păianjenului ADN a fost surprinsă în timp real folosind microscopia de reflexie internă totală - viteza medie a acestuia a fost de 3 nm/min. Se pare că nu a fugit, ci mai degrabă s-a plimbat pe calea lui cu plăcere.
Mari speranțe sunt puse pe origami ADN și alte nanotehnologii ADN în legătură cu problema livrării țintite a medicamentelor către celulele care au nevoie. Din păcate, această zonă nu este la fel de bine dezvoltată ca altele și este încă în curs de cercetare intensă. Nu putem decât să credem că descoperirile legate de roboții ADN care servesc în beneficiul asistenței medicale și al umanității în ansamblu sunt încă de urmat!
În loc de o concluzie
Până în prezent, oamenii de știință din diferite țări au colectat o cantitate mare de date experimentale și au descris un număr mare de mecanisme bazate pe tehnologiile ADN, care încă nu au fost pe deplin înțelese și evaluate. Este deja imposibil să descriem în detaliu fiecare dintre structurile rezultate și avantajele acesteia față de altele. La urma urmei, dacă în urmă cu doar 10 ani doar câteva laboratoare din întreaga lume erau angajate în cercetări de acest gen, acum numărul lor se ridică la câteva zeci. În ceea ce privește viitorul acestui domeniu al științei, un singur lucru se poate spune cu siguranță – va fi și mai interesant! Pentru a vă convinge de acest lucru, iată titlul unui articol care a fost publicat în aprilie 2014 - „Calcul universal de către roboți origami ADN într-un animal viu”, care descrie utilizarea nanoroboților ADN la gândacii vii Auto-asamblare bidimensională programată a mai multor piese de puzzle origami ADN. ACS Nano 5, 665-671; ;
- Educational: pentru a forma cunoștințe inițiale despre structura, compoziția chimică și funcțiile moleculei de ADN.
- Dezvoltare: să promoveze creșterea unei poziții de viață active, să dezvolte capacitatea de analiză și aplicare a cunoștințelor dobândite în viață.
- Educational: pentru a promova simțul responsabilității pentru viața ta și a viitorilor copii; insufla dragostea pentru natura.
Ajutoare vizuale educative:
- carduri de sarcini individuale pentru verificarea materialului acoperit în trei versiuni
- inregistrare audio
- carduri cu termeni
- Model demonstrativ ADN
- un set de sârmă colorată pentru a face „propriul tău” ADN
- set de creioane colorate
În timpul orelor
1. Discurs introductiv de către profesor.
„Natura este cel mai important lucru și totul se face conform legilor sale, iar noi suntem o părticică a naturii însăși și trăim, de asemenea, conform legilor ei, iar aceleași forțe operează în interiorul nostru.” Acestea sunt cuvinte din carte, autorul celebrului „Sistem de întărire - Antrenament uman” - P.K. Ivanov.
Să încercăm să definim cuvintele cheie aici:
NATURA, LEGILE „PUTERII” ÎN NOI.
Suntem familiarizați cu aceste concepte de la cursurile de fizică, chimie și biologie. Dar ce forțe sunt în interiorul nostru, cum funcționează - vom afla în timpul lecției.
2. Încălziți-vă.
După cum știți deja, celulele conțin aproximativ 80 de elemente chimice diferite.
Au o varietate de efecte asupra proprietăților și proceselor din organismele vii
Deci, sarcina:
Opțiunea I - influența elementelor asupra corpului:
Ca, Fe, Md, I, Zn.
Opțiunea II - denumește macroelemente, microelemente, ultramicroelemente (simboluri chimice, % conținut).
Opțiunea III - răspunde la întrebări:
Ce substanțe sunt clasificate drept anorganice?
Ce substanțe sunt clasificate ca fiind organice?
Ce înseamnă „anorganic”?
Ce înseamnă „organic”?
Toate organismele vii constau din... (începe muzica calmă)
3. Studierea materialelor noi.
Se știe că basmul este o minciună, dar există un indiciu în el și se obține o lecție neobișnuită. Lecție fără subiect.
Sarcina problematica:
Determinați numele subiectului lecției în timpul explicației. Deci, voi spune un basm și veți înregistra „indicii” în caiet.
Într-un anumit regat, o stare intracelulară, a trăit un nucleu. Atât de rotund și drăguț. Și numele este atât de simplu - Core (o diagramă este întocmită pe tablă pe măsură ce povestea progresează). (Imaginea 1)
Nu m-a deranjat. Statul, deși mic, avea margini adecvate (cochilie) și un șanț cu un lichid vâscos (citoplasmă). Acolo locuiau piranhas (lizozomi). Când negustorii vicleni de peste mări aduceau mărfuri peste graniță (metabolism), lizozomii monitorizau cu strictețe calitatea, iar produsele de calitate scăzută erau imediat digerate: împreună cu comercianții.
Miezul a devenit mândru că era atât de important. Negustorii și-au „rupt capacele” în fața lui și i-au atribuit propriul lor titlu, unul de peste mări. De atunci, au început să numească inteligent nucleul - NUCLEUS (pe măsură ce lecția progresează, cărțile cu sarcini sunt atașate la tablă).
A trecut timpul. Nucleus este trist, nu are cu cine vorbi, s-a gândit să transmită mai departe moștenirea, s-a gândit și a decis să creeze un copil mic din corpul lui (nucleotide).
Aranjează nucleotidele:
Chiar aici adenil(A), aici citidil(C), aici timină(T), ei bine, aici guanil(G).
Nimic nu merge. Din fericire, oaspeții au apărut. A venit un prieten din sân - o enzimă, iar verii - o legătură de hidrogen și covalentă. Apoi a venit ATF-ul. Toată lumea se lăuda cu cât de versatil era.
Toți s-au apucat să lucreze împreună - așezând nucleotidele.
Legătura covalentă este cea mai inteligentă, cea mai puternică și a început să pună nucleotidele împreună în perechi, nu la întâmplare, ci cu simțire. Și acest sentiment" complementaritatea" este numit. (Figura 2)
Aici a intervenit legătura de hidrogen: „Chiar dacă sunt laxativ, o să ajut și eu; hai, voi strânge totul cum trebuie.” Și „l-a răsucit”. A ieșit frumos. (Figura 3)
Enzima a dat imediat un nume nou-născut - polinucleotidă, Și apoi ATF țipă (o persoană foarte energică):
"Este o fată! Uite, are talie!" Nimic de făcut. Au început să aleagă un alt nume. Ne-am amintit. Era o bunica la baza, numele ei era... Dezoxiriboză. Așa că au decis să numească nou-născutului acid dezoxiribonucleic, sau pe scurt, ADN. Aici se termină basmul, iar cine a ascultat va denumi subiectul lecției:
„Nașterea ADN-ului”
4. Consolidare - „Construiește-ți ADN-ul”.
(Fiecare își face propriul ADN din sârmă colorată)
se obține un superhelix dublu catenar
5. Concluzii.
Și când ADN-ul a crescut, ea a primit un pașaport, a devenit parte a cromozomului și s-a angajat acolo: ea stochează și transmite informații genetice.
Poate că aceasta este „forța din noi”.
6. Tema pentru acasă.
a) orală - descoperirea mea de astăzi
Ce s-a schimbat în viziunea mea asupra lumii
b) scris - scrie reguli de comportament în raport cu toate viețuitoarele în numele: lup, iepure, morcov.
