Chcete si vyrobiť vlastný model DNA – základného stavebného kameňa života? Potom popustite uzdu svojmu vnútornému tvorcovi a vytvorte model DNA pomocou polymérovej hliny alebo korálkového drôtu pre model, ktorý určite získa prvé miesto na akomkoľvek vedeckom veľtrhu.
Metóda 1 z 2: Výroba hlineného modelu
- Ak plánujete svoj model vystaviť na výstave, pripravte si stojan, na ktorý ho môžete umiestniť. Môže to byť malá drevená doska s tyčou vychádzajúcou z jej stredu, ku ktorej bude pripojený reťazec DNA.
- Keď dokončíte formovanie polymérovej hliny, budete ju musieť upiecť, takže sa uistite, že máte aj rúru v prevádzkovom stave.
- Ak chcete poskytnúť dodatočnú podporu pre model DNA, môžete v ňom použiť flexibilný drôt.
Vytvorte dva dlhé pramene, ktoré vytvoria dvojitú špirálu. Vyberte polymérovú hmotu z jednej z vami vybraných farieb a rozvaľkajte ju na dva kusy dlhé 30 centimetrov a hrubé jeden a pol centimetra. Tie vytvoria bočné vlákna DNA, preto je potrebné zabezpečiť ich pevnosť, aby sa k vláknam mohli bezpečne pripojiť ďalšie časti.
- Pre väčšiu stabilitu modelu môžete hlinu omotať okolo dvoch dlhých kusov ohybného drôtu.
- Veľkosť vlákna vášho modelu DNA môžete ľubovoľne meniť, aby vyhovovala všetkým vašim požiadavkám. Ak chcete vytvoriť kratší vzor, jednoducho zmenšite veľkosť závitov dvojitej špirály.
Pridajte cukorné a fosfátové skupiny. Reťazce dvojitých špirál DNA sa skladajú z dvoch typov skupín: cukrov a fosfátov. Použite jednu zo svojich farebných polymérových ílov na formovanie fosfátových skupín do dvojitej špirály.
- Rozvaľkajte hlinu zvolenej farby pre fosfátové skupiny, kým nebude plochá. Nakrájajte prúžky hliny dlhé a pol centimetra široké.
- Začnite od spodnej časti dlhých pásov dvojitej špirály a okolo závitu omotajte kúsky plochej fosfátovej hliny.
- Dbajte na to, aby boli dobre vtlačené do špirálového závitu a nepadali.
- Medzi kúskami fosfátovej hliny prejdite na nite jeden a pol centimetra prázdneho priestoru. Prázdne miesta v reťazcoch dvojitej špirály predstavujú skupiny cukrov.
- Pokračujte v striedaní ílových cukrov a fosfátov vo vzdialenosti jeden a pol centimetra, kým nenaplníte oba vlákna dvojitej špirály.
Sú to štyri dusíkaté bázy, ktoré tvoria reťazec DNA: cytozín, guanín, adenín a tymín. Tvoria priečky „rebríka“ medzi dvoma vláknami dvojitej špirály. Vyberte jednu farbu polymérovej hliny pre každý zo štyroch základov.
- Každú farbu hliny rozvaľkajte na kúsky dlhé jeden a pol centimetra a široké pol centimetra. Pomocou noža odrežte okraje a dodajte povrchu hladký povrch.
- Spočítajte počet cukrových skupín, ktoré ste vytvorili na reťazci dvojitej špirály. Toto je počet párov dusíkových báz, ktoré budete musieť vytvoriť.
- Umiestnite svoje farby v pároch do vhodných skupín. Cytozín a guanín by mali byť vždy spolu (v akomkoľvek poradí), rovnako ako tymín a adenín.
- Ak chcete svojim dusíkovým základom dodať väčšiu stabilitu, narežte kúsky ohybného drôtu dlhé asi dva a pol centimetra a použite ich ako stredy hlinených základov.
- Kombinujte páry farieb zovretím okrajov vašich 1 a pol palcových kúskov. Keď sa farebné kúsky v strede spoja, opatrne ich vyvaľkajte na jeden hladký, pevný kúsok hliny.
Na dvojitú špirálu pripojte dusíkaté bázy. Po vytvorení všetkých 2,5 cm dlhých dusíkatých základov ich budete musieť pripojiť k dvojitej špirále.
- Začnite s prvou skupinou na dvojitej špirále. Použite malé kúsky hliny o veľkosti hrášku, ktoré majú rovnakú farbu ako cukrová skupina.
- Pripojte jednu z dusíkatých zásad k cukru pomocou malého kúska hliny. Kúsky hliny pritlačte k sebe a vyhladzujte okraje ich rolovaním prstami.
- Najjednoduchšie bude pripevniť všetky kúsky dusíkatých báz na jednu stranu len jedného z prameňov dvojitej špirály. Potom, keď všetky 2,5 cm základne vychádzajú z jedného prameňa dvojitej špirály, pripojte druhý prameň na opačnú stranu.
- Uistite sa, že všetky časti sú bezpečne upevnené. Ak ste dusíkové základne navliekli do drôtu, môžete konce drôtu prilepiť do prameňov dvojitej špirály, aby ste ich lepšie upevnili.
Ohnite dvojitú špirálu. Ak chcete dať svojmu modelu DNA klasický špirálovitý tvar, držte oba konce dvojitej špirály a otočte ich proti smeru hodinových ručičiek.
Upečte si svoj model. Postupujte podľa pokynov na obale polymérovej hmoty a potom upečte svoj model, aby vytvrdol.
- Ak máte voskový papier, upečte model na ňom, aby sa model neprilepil na panvicu.
- Pred vybratím nechajte model vždy vychladnúť, inak sa môžete popáliť.
Keď je model upečený a vychladnutý, ukážte plody svojej práce! Zaveste ho zo stropu pomocou rybárskeho vlasca alebo ho pripevnite na drevený stojan.
Nákup materiálov a nástrojov. Ak chcete vyrobiť model DNA z hliny, musíte si najprv kúpiť akúkoľvek hlinu, ktorá sa vám páči. Model si môžete vyrobiť, ak máte aspoň šesť farieb polymérovej hmoty, ako aj nástroje, ktoré použijete na tvarovanie hliny (napríklad plastový nôž alebo valček).
Metóda 2 z 2: Vytvorenie modelu z drôtu a korálkov
Zhromaždite materiály. Pre tento projekt budete potrebovať niekoľko metrov ohybného drôtu, nožnice na drôt a korálky podľa vlastného výberu.
- Ak chcete zlepšiť kvalitu svojho modelu, môžete použiť spájkovačku na pevné pripevnenie častí k sebe.
- Môžete použiť akékoľvek korálky, ale sklenené korálky dodajú dizajnu krajší vzhľad. Ak chcete, môžete pridať korálky ako oddeľovač medzi väčšie korálky.
- Aby ste zodpovedali požadovanej veľkosti modelu, budete potrebovať dostatok korálikov v minimálne šiestich farbách.
- Ak sa chystáte vystaviť svoj model, vyrobte si z dreva stojan, na ktorý svoj model pripevníte.
Vytvorte dvojitú špirálu. Skladá sa z dvoch dlhých bočných vlákien, ktoré držia celú molekulu DNA a dávajú jej tvar rebríka. Odrežte dva kusy drôtu rovnakej dĺžky. Tieto kúsky budú slúžiť ako kostra modelu DNA, preto ich dĺžku voľte v závislosti od dĺžky celého modelu.
- Vyberte dve farby guľôčok a pripevnite jednu na každý koniec drôtu. Drôtik prevlečte cez korálik druhýkrát, pričom na konci drôtika vytvoríte slučku. Zabránite tak zošmyknutiu guľôčok.
- Na drôt striedavo pripevnite korálky dvoch farieb. Dve farby predstavujú skupiny cukru a fosfátov, ktoré tvoria dlhú časť dvojitej špirály.
- Môžete navliecť jeden alebo viac korálikov z každej farby, ale uistite sa, že máte na drôtiku rovnaký počet korálikov každej farby.
- Urobte to isté pre druhý kus drôtu s dvojitou špirálou, pričom sa uistite, že farby dvoch guľôčok (cukor a fosfáty) na dvoch drôtoch ležiacich vedľa seba sa zhodujú.
- V hornej časti drôtu nechajte palec nevyplneného priestoru, aby ste mohli pripevniť „priečky rebríka“ do medzier medzi korálkami.
Pridajte "rebríkové priečky". Spočítajte počet cukrových skupín, ktoré ste vytvorili na dvojitej špirále, a potom odrežte 2,5 cm kúsky drôtu v rovnakom množstve.
- Omotajte konce jedného kusu drôtu okolo dvojitej špirály cukrovej guľôčky. Urobte to pre všetky kusy drôtu tak, aby ste mali úplný prameň s dvojitou špirálou, z ktorého kúsky drôtu vyčnievajú.
- Ak chcete vyrobiť dekoratívnejší a odolnejší model DNA, použite spájkovačku na prispájkovanie kúskov drôtu na vlákno dvojitej špirály.
Vytvorte dusíkaté základy. Vyberte štyri ďalšie farby a každej priraďte dusíkatú bázu. Guanín a cytozín sú vždy spárované, rovnako ako tymín a adenín.
- Na naplnenie každého malého kúska drôtu budete pravdepodobne potrebovať veľa guľôčok, takže pri pripevňovaní guľôčok na drôt vyberte rovnaký počet priradených ku každej dusíkatej báze.
- Uistite sa, že máte páry guľôčok zoskupené. Vždy pospájajte cytozín a guanín, ako aj tymín a adenín. Môžete ich však umiestniť v ľubovoľnom poradí a niektoré páry vytvoriť viac ako iné.
Navlečte svoje dusíkaté bázy. Keď oddelíte všetky korálky, umiestnite ich na drôtené vetvy, ktoré vychádzajú z vlákna dvojitej špirály. Nezabudnite na konci drôtu nechať 1,5 centimetra, aby ste ho pripevnili k druhému prameňu dvojitej špirály.
Pripojte druhý prameň dvojitej špirály. Po pridaní všetkých guľôčok na báze dusíka pripravte a pripojte druhé vlákno dvojitej špirály. Orientujte stranu tak, aby odrážala prvý dusíkatý základ a pripevnite kúsky drôtu.
- Kusy drôtu môžete omotať okolo dvojitej špirály pomocou ihlových klieští. Pripojte tieto malé kúsky drôtu na rovnaké miesto, kde ste to urobili pre opačný prameň dvojitej špirály.
- Ak môžete, použite spájkovačku na spájkovanie posledných kúskov drôtu, čo dodá modelu hladší vzhľad.
Utesnite konce modelu. Aby korálky z modelu nevypadli, otočte drôt na každom konci prameňov dvojitej špirály do slučky. Drôt môžete tiež prispájkovať do uzlíkových tvarov, aby ste zabránili rozptýleniu guľôčok.
Ohnite dvojitú špirálu. Ak chcete vytvoriť klasický špirálovitý tvar vlákna DNA, uchopte ho za konce a jemne ho otočte proti smeru hodinových ručičiek.
Vystavte svoj model. Po pridaní všetkých konečných úprav je váš model hotový! Zaveste ho na závesné zariadenie alebo strop alebo ho pripevnite k drevenému stojanu pomocou malého drôtu alebo lepidla. Ukážte všetkým svoju ručnú prácu!
- Ak na vytvorenie modelu DNA používate rúru alebo spájkovačku, dávajte pozor, aby ste sa nepopálili.
- Obe tieto metódy sú pre deti príliš náročné, takže ak vyrábate model pre školský projekt, uistite sa, že vaši pomocníci sú dostatočne starí, aby si pri manipulácii s materiálmi neublížili.
Mnoho ľudí pravdepodobne vie, aké ľahké je replikovať časť vlastnej DNA. Proces je v podstate jednoduchý. Ale potom je tu toľko nadšených chrisotov zo série „och, ako vyzerá ako otec/mama!“ Úloha sa však oveľa skomplikuje, keď potrebujete na svojom stole zo zvyškov materiálov vytvoriť nejaký abstraktný model DNA.
Prečo som to potreboval, pýtate sa? Veľmi jednoduché. Moja dcéra má v škole predmet podobný „biológii“ v ruských školách. Podľa toho bol študentom zadaný domáci projekt, ktorý zahŕňal nielen získanie teoretických vedomostí o štruktúre DNA, ale aj vytvorenie jej modelu. S týmto modelom potom musíte hovoriť pred učiteľom a triedou a povedať, čo a ako je v ňom.
Vo všeobecnosti to nebude presne „môj“ príspevok. Venuje sa skôr jeho dcére. Síce som sa na tom nejako podieľal, ale táto účasť sa obmedzovala hlavne na poradenstvo... Čo však, ak má niekto záujem, alebo čo keď niekoho dieťa v škole požiada o podobnú vec. Sprievodca je teda pripravený.
Podľa podmienok problému musí model spĺňať určité požiadavky. Zaujímavé je, že študent si sám môže vybrať, aké podmienky splní. Každý bod prezentácie „zaváži“ určitý počet kreditných bodov. V súlade s tým môžete postupovať podľa jednoduchej cesty a dosiahnuť určité minimálne skóre alebo sa pokúsiť implementovať „maximálny program“.
Počiatočné vyhlásenie o probléme:
Ako vyplýva z problému, nemusí ísť nevyhnutne o model. Môže to byť čokoľvek od rozprávkovej knihy až po puzzle. Hlavná vec je, že má nejaké fyzické zastúpenie. Samostatne sa uvádza, že ak sa študent rozhodne vytvoriť model, potom je zakázané používať hotovú súpravu obchodu. Napríklad niečo také.
Moja dcéra sa rozhodla urobiť model a pokúsiť sa získať maximálny počet bodov. OK.
Začali sme s počítačovým modelom... Vlastne nie som skutočný zvárač. To znamená, že vo všeobecnosti viem, čo je DNA, z čoho pozostáva a ako sa zvyčajne zobrazuje. Nikdy viac. Preto už od prvých krokov prevzala iniciatívu dcéra. Dokázala mi vysvetliť, čo sa z čoho skladá a čo sa k čomu viaže.
Dopadlo to asi takto:
Keď sa vyjasnilo. Aké diely potrebujeme, išli sme nakupovať. Budete potrebovať: penové gule dvoch veľkostí, drevené tyče, farbu, lepidlo a kúsok MDF na stojan.
Ach áno... Tiež budete určite potrebovať Psa:
Aby som bol úprimný, sám naozaj nerozumiem, prečo je do pekla potrebný pes, ale on sám mal v tom dosť dôvery pre nás všetkých. V skutočnosti len prekážal... Ale možno som len niečo zle pochopil.
Polystyrénové gule boli zakúpené v dolárovom obchode. V sekcii „všetko pre párty“. Ani sa mi nechce pokúšať prísť na to, ako by sa dali použiť penové gule v rámci párty. Ale je dobré, že sa našli. Toto bol náš najproblematickejší moment. Bolo potrebné nájsť gule, ktoré by sa dali ľahko spracovať. Napríklad sklenené guľôčky nebudú fungovať - budete unavení z vŕtania. Drevené... V princípe by sa hodili. Pre mňa. No tú prácu musela urobiť moja dcéra a pochybovala som, že by len tak dokázala ručnou vŕtačkou rovnomerne prepichnúť drevenú guľu. Polovica z nich bude mať zápchu zo zvyku. A sú dosť drahé. Bol potrebný mäkší a lacnejší materiál. Pena sedí perfektne.
Drevené lamely boli zakúpené v obchode so stavebninami. Tieto tyče sú tenšie náprotivky k tým, ktoré som použil na dekoráciu postele a nočných stolíkov. S týmto neboli žiadne problémy. Vo všetkých stavebných predajniach sú vždy dostupné v širokej škále.
Farby/lepidlá – triviálne. Vzali sme bežnú aerosólovú farbu. Najprv sme to skúsili na jednej z guličiek – farba nezožrala penu. Podľa toho sme nakúpili potrebný počet kvetov. Lepidlo je obyčajné PVA.
V skrýši som už mal kúsok MDF panelu na stojan. Môžete začať pracovať.
Najprv stojan. Moja dcéra poslúchla moju radu a vytlačila si šablónu, ktorú nalepila na kúsok MDF dosky:
Jej možnosťou bolo nájsť tanierik vhodného priemeru a nakresliť okolo neho kruh. Ale dokázal som ju presvedčiť, že táto cesta nie je cestou samurajov. Kto iný ako ja by mal vedieť, že v našej domácnosti nemáme tanieriky vhodného priemeru s hladkým okrajom - všetky majú zvlnený okraj. Už sme plávali - vieme :-)
Prekvapivo to rezalo hladko. Trochu som sa aj zľakol...
Pomocou brúsky odstránila drobné nerovnosti pozdĺž okraja:
Aby stojan získal estetický vzhľad, jeho okraj bol opracovaný pomocou frézy:
Výsledkom je takýto disk:
Otvor v strede, do ktorého bude model vložený:
Nasledovala samotná nudná operácia. Bolo potrebné vziať penovú guľu a vyvŕtať do nej dva priechodné otvory krížom krážom. Cez prvý otvor sa takáto loptička umiestni na spoločnú os, do ďalšieho otvoru sa na oboch koncoch zapichnú priečne palice. Bolo potrebné vyrobiť desať z týchto loptičiek:
Bolo to pre mňa najťažšie. Neviete si predstaviť, aké je to mučenie stáť a pozerať sa. Namiesto toho, aby ste sami chytili Dremel a všetko rýchlo vŕtali za pár minút. Dcéra to dokončila asi za pol hodinu... Ten pohodový metodický spôsob, akým to všetko robila ma jednoducho zabil :-)
Výsledok nazvala ražniči:
Teraz sme museli do kebabu napchať krížové paličky. Všetky boli vyrezané z rovnakej drevenej tyče ako stredová os:
Opäť chcela prerezať palice pílkou, ale podarilo sa mi ju presvedčiť, že rezací kotúč a Dremel sú oveľa rýchlejšie.
Ďalší krok: vezmite si prijaté tyčinky:
... a vložte ich do kebabu získaného skôr:
To bolo potrebné na prilepenie centrálnych guľôčok (mimochodom, nie je to žiadna hovadina, ale skutočné vodíkové väzby) na spoločnú palicu. Na fotografii môžete vidieť, že k základni je pripojená ďalšia šablóna, na ktorej sú označené segmenty. Priečky sa zapichnú do lopty, na stredovú os sa nanesie lepidlo, lopta sa nastaví do požadovanej výšky a otáča sa pozdĺž požadovaného sektora označenia. Tie. V tejto fáze pomáhajú priečky umiestniť centrálnu guľu do požadovaného uhla natočenia. Opakujte desaťkrát:
Potom môžu byť priečne nosníky odstránené a diely môžu byť odoslané na lakovanie:
Keď bolo všetko suché, začali sme s finálnou montážou.
Každá priečna palica mala na sebe pripevnenú deoxyribózu... Myslím... Deoxyribóza v origináli. Jeho pes vie, čo to je... Na tom nezáleží. Hlavná vec je, že dcéra vie, čo to je. Je na nej, aby darček posunula pred učiteľa, nie na mne :-)
Samotné gule by mali byť biele, takže ich nebolo potrebné maľovať:
Dlhý a starostlivý proces zostavovania modelu:
Zostáva len pridať fosfátové reťazce. Pokiaľ vieme, sú zvyčajne zobrazené vo forme veľmi rozpoznateľnej dvojitej špirály.
Z hrubého hrubého strieborného papiera boli vyrezané dve stuhy:
Tieto prúžky sú prilepené k vrchom krajných guličiek na modeli. Páči sa ti to:
V tejto fáze som sa prvýkrát osobne zapojil. Dve ruky nestačili. Je potrebné, aby jedna osoba držala a viedla pásy a druhá nanášala lepidlo a lisovala.
Prinajmenšom sa nám tento postup podaril a nakoniec sme získali požadovaný model:
Podľa podmienok úlohy bolo potrebné určiť aj všetky náhradné diely. Rozhodli sme sa obmedziť na prilepenie legendy k stojanu. Ako šťastie, v tlačiarni sa minul farebný atrament. Preto som si musel vytlačiť čiernobielu verziu a vyfarbiť fixkami:
Laminácia tiež nefungovala na prvýkrát. Jednotka žuvala dva štítky a potom normálne vyrobila tretí:
Neviem, čo sa stalo. Túto jednotku som použil už stokrát a nikdy predtým nič nežuval... Tak či onak, dostali sme našu značku:
Model je pripravený:
Teraz si moja dcéra potrebuje zapamätať ústnu časť prezentácie. Ale už jej s tým nepomôžem. Dúfam, že to zvládne sama. Na napchanie teoretickej časti má ešte týždeň. Neskôr napíšem, ako som s projektom pokračoval.
Skladanie papierového žeriava je jednoduché! Vyrobiť žeriava z molekuly DNA... je tiež jednoduché! S trochou vytrvalosti a zručnosti môžete vlastnými rukami vytvoriť skutočné umelecké diela z papiera. Molekuly DNA zase nevyžadujú špeciálne zručnosti a sú zostavené do krásnych štruktúr ako origami ľahko a prirodzene! Znie to ako blúznenie šialenca, poviete si. Vôbec nie! V tomto článku sa dozviete, ako si vytvoriť svoju vlastnú DNA origami figúrku, ako ukradnúť zlato pomocou robotov a kto by vyhral v boji medzi švábom a strojom DNA.
Táto práca je publikovaná v rámci súťaže populárno-vedeckých článkov na konferencii „Biológia – veda 21. storočia“ v roku 2014.
DNA origami a súvisiace DNA nanotechnológie vytvorili v poslednom desaťročí samostatnú vedeckú oblasť a zaznamenali rýchly rozvoj v práci niekoľkých vedeckých skupín po celom svete. Vo všeobecnosti sa pod pojmom „DNA origami“ skrýva technológia na riadenú konštrukciu molekúl DNA schopných samo-zostavenia do vopred vypočítaných a simulovaných objektov. Takéto návrhy môžu byť ploché alebo trojrozmerné, celkom jednoduché a mimoriadne zložité. Všetko je rovnaké ako v japonskom umení skladania listu papiera, len tu namiesto listu papiera je vlákno DNA!
Ako mnohé vedecké objavy a vývoj, aj tento smer vznikol v istom zmysle náhodou a nečakane. Prvýkrát americký vedec Ned Seaman ( Ned Seeman) na začiatku 80. rokov 20. storočia. Výskumník poukázal na jeden z hlavných problémov metódy röntgenovej kryštalografie (používanej vtedy a dodnes na určovanie štruktúry molekúl proteínov), a to na potrebu výberu presných podmienok na získanie „čistého“ kryštálu, pomocou ktorého môže posúdiť štruktúru proteínu a stanoviť si za cieľ vývoj pomocnej technológie na fixáciu vzoriek proteínov (obr. 1). Na vyriešenie problémov bolo najprv potrebné zistiť, ako poskladať molekuly DNA do potrebných štruktúr podľa vlastného želania a chápania.
Obrázok 1. A. Drevorez "Hĺbka", ktorý vytvoril Maurits Cornelis Escher v roku 1955. Hovorí sa, že pri pohľade na toto umelecké dielo v univerzitnej kaviarni sa Ned Seaman inšpiroval k vytvoreniu novej technológie, ktorá by zjednodušila kryštalizáciu polypeptidov, a teda aj štrukturálne štúdie proteínov. Niečo sa pokazilo pri určovaní priestorovej organizácie proteínov, ale Seamanove nápady boli vyzdvihnuté inými výskumníkmi a viedli k vzniku DNA origami. B. Nakreslená schéma procesu kryštalizácie proteínu IN. Myšlienka štruktúr DNA pre správnu orientáciu molekúl v priestore, znázornená Seemanom (preklad autora článku).
Hľadanie a popis rôznych vlastností elementárnych konštruktov DNA trval niekoľko rokov. V roku 1991 Ned Seaman predstavil nanometrovú kocku, ktorej okraje predstavovali molekuly DNA. Po určitom čase, napriek skepticizmu niektorých vedcov, bola práca uznaná ako vynikajúca. Za ňu bol Ned Seaman v roku 1995 ocenený Feynmanovou cenou za nanotechnológiu a navždy sa zapísal do histórie vedy ako tvorca prvej DNA nanotechnológie.
Výsledky Neda Seamana a jeho laboratória poslúžili ako základ nápadov ďalšieho skvelého výskumníka a bez preháňania významnej osobnosti v oblasti DNA origami – Američana Paula Rothemunda. V roku 2006 publikoval článok v najuznávanejšej vedeckej publikácii Príroda, ktorá opísala metódu na získanie presných štruktúr DNA s daným tvarom a zároveň prezentovala podrobné výsledky a analýzu takéhoto cieleného dizajnu. Na rozdiel od iných výskumníkov sa mu podarilo postaviť nie mriežky z jednotlivých molekúl, ale skutočné ploché obrazce široké niekoľko reťazcov DNA (obr. 2). Tento článok sa okamžite rozšíril po populárno-vedeckých časopisoch, správach a blogoch, pretože prezentované štruktúry a obrázky zapôsobili aj na vedecky netrénovaného čitateľa. Nie je prekvapením, že ilustrácie experimentu boli uvedené na obálke vydania časopisu.
Obrázok 2 Niektoré štruktúry postavené pomocou DNA origami a prezentované v článku Paula Rothemunda.
V nasledujúcich rokoch bolo publikovaných niekoľko desiatok článkov o technológii DNA origami. Rástol počet získaných tvarov, veľkostí štruktúr a ich zložitosť. Niektoré z výsledkov boli experimentálne testované na skutočných biologických objektoch na riešenie aplikovaných biotechnologických a medicínskych problémov.
2D DNA origami: od jednoduchých po zložité
Ako vedci skladajú DNA origami? Pozrime sa na detaily tejto metódy. Na začiatok potrebujeme dlhú jednovláknovú molekulu DNA, ktorá bude hrať úlohu rámca a základu nášho budúceho objektu. V prvých experimentoch sa používala fágová DNA M13 s dĺžkou 7249 nukleotidov, no teraz, s vylepšením množstva technológií, sa začali používať aj iné sekvencie DNA. Potom budeme potrebovať vopred syntetizované krátke komplementárne reťazce DNA (tiež nazývané "splicer vlákna" alebo "sponky DNA", zvyčajne s dĺžkou 30-40 nukleotidov), ktorých sekvencia sa musí vybrať pomocou počítačového modelovania a štrukturálnej analýzy. Teraz zmiešame roztoky s dlhou molekulou a krátkymi „klipsami“ a zmes zahrejeme na teplotu 95 °C, aby sa rozbili náhodné a nepotrebné molekulárne väzby. Počas procesu ochladzovania na izbovú teplotu (tento postup sa nazýva žíhanie) sa samotné molekuly DNA spoja a vytvoria štruktúru, ktorú potrebujeme. Je to také jednoduché – všetko za nás urobia sami!
Obrázok 3. A, B ilustrujte diagram spojení medzi skafoldovou DNA (sivá krivka) a upevňovacími oligonukleotidmi (krivky rôznych farieb). IN) Schéma krok za krokom na výrobu origami DNA.
Výsledkom experimentu je roztok obsahujúci požadované konštrukty DNA. V jednej jedinej kvapke roztoku sú miliardy drobných predmetov, ktorých sa na rozdiel od papierových origami figúrok nedá dotknúť, otočiť v rukách ani ich preskúmať. Na vyhodnotenie výsledku potrebujeme prístroj s ultravysokým rozlíšením – mikroskop atómovej sily (AFM) alebo elektrónový mikroskop. Koniec koncov, je také ťažké vidieť čísla merajúce 50-100 nm!
Na vytvorenie plochých origami štruktúr DNA musia byť susedné dvojvláknové molekuly navzájom spojené krížením, špeciálnym typom prepletenia reťazcov DNA. Toto prepletenie „zlepí“ susedné reťazce prostredníctvom komplementárneho párovania Watson-Crick a zabráni rozpadu celej konštrukcie. Vzhľadom na veľký počet upevňovacích reťazí sú potrebné algoritmy na výpočet pravdepodobnosti ich presného nasadenia na hlavnú reťaz. Ak svorka DNA sedí na nesprávnom mieste, môže to viesť k štrukturálnemu defektu a úplnému zmätku pri nasadení všetkých ostatných svoriek. V najhoršom prípade to môže viesť k tomu, že sa štruktúra vôbec nespojí. Samozostavenie molekúl do dokonale plochej štruktúry však nie je taká ľahká úloha.
Obrázok 4. Presnosť zozbieraného vzoru môže byť dosť vysoká a doslova na hranici rozlíšenia moderných zariadení. Je možné zabezpečiť, aby boli vlásenky DNA vyrazené na hladkom, plochom „plátne DNA“ na vopred určených miestach. Vyzerá to, ako keby bol na kuse látky vytvorený vzor s uzlami. Presne tak bola zostavená mapa západnej pologule Zeme, ktorú bolo možné vidieť výlučne pomocou AFM (a, b).
Dvojrozmerné štruktúry založené na DNA origami umožňujú dosiahnuť nielen širokú škálu tvarov, ale pomocou tejto techniky možno dosiahnuť nevídanú presnosť v umiestnení požadovaných funkčných skupín a molekúl. Molekuly naviazané na svorky DNA môžu byť umiestnené s presnosťou až na niekoľko nanometrov a dokonca aj angstromov (ak sú správne zostavené)!
Ak potrebujete zostaviť väčšiu konštrukciu, stačí pospájať niekoľko dlhých reťazí do jednej kompozitnej konštrukcie, ako v stavebnici alebo veľkých origami figúrkach. V praxi sa to dá urobiť rovnakým spôsobom, ako to bolo opísané pre jednu molekulu DNA v rámci jedného rámu - musíte zmiešať všetky zložky budúceho objektu v jednej skúmavke, zahriať ju a čakať na zázrak, alebo zostaviť každú časť samostatne , a potom spojiť hotové prvky na konečnú montáž.menej intenzívne vykurovanie. Pri prvom prístupe musíme pracovať s dosť veľkým počtom komponentov, čo zvyšuje pravdepodobnosť nesprávneho molekulárneho poskladania. Pri samostatnej montáži dielov je potrebné vykonať niekoľko nezávislých experimentov a vykonať dodatočný krok - opakované žíhanie malých konštrukcií pri zahriatí na teplotu 50°C. Pri tejto teplote sa časti ešte nerozpadnú, ale ľahšie sa navzájom spájajú [,].
3D DNA origami
S určitými úpravami možno prístup používaný pri navrhovaní plochých konštrukcií zovšeobecniť na zložitejší objemový prípad. Pri konštrukcii 3D štruktúr môžete tak ako doteraz použiť crossovery s prihliadnutím na dodatočný tretí rozmer a všetko poskladať v jednom experimente, alebo treba začať s jednotlivo zostavenými plochými objektmi DNA a až potom ich spojiť do konečnej štruktúry. Výber správnej postupnosti krokov v prípade 3D DNA origami je mimoriadne dôležitý vzhľadom na výrazne väčší počet zapojených molekúl. Pri obzvlášť zložitých konštrukciách (najmä pri výbere prvej montážnej stratégie v jednom experimente) môže vlastná montáž objektu trvať niekoľko dní.
Napriek všetkým ťažkostiam, ktoré môžu vzniknúť, sú trojrozmerné štruktúry pre výskumníkov také atraktívne! Koniec koncov, trojrozmerné objekty, vďaka rôznorodosti možných tvarov, môžu byť použité v širokej škále rôznych aplikovaných úloh.
Obrázok 5. DNA „box“ s otváracím vekom a molekulárnym „zámkom“. Získané v Dánskom centre pre nanotechnológiu DNA v roku 2009. Očakáva sa, že v budúcnosti sa takýto dizajn bude používať na cielené dodávanie liekov do určitých buniek, kde sa bude otvárať pomocou molekulárneho „kľúča“.
Takže pomocou niekoľkých rovnakých štvorcov sa vedcom podarilo zostaviť dutú kocku (hoci mierne zdeformovanú). Aby vedci odstránili konštrukčné chyby, pripevnili na túto kocku veko, ktoré bolo uzamknuté zámkom veľkosti nanometrov. Otváranie veka bolo možné ovládať zmenou konformácie zámku spárovaním s malými „DNA kľúčmi“ (obr. 5). Efekt FRET pomohol uistiť sa, že kocka bola bezpečne uzamknutá a otvorená iba pomocou určitého kľúča. Zároveň sa tento dizajn stal jedným z prvých zásobníkov svojho druhu na cielené podávanie liekov. Zatiaľ, samozrejme, len v budúcnosti.
Ďalšou etapou pri navrhovaní 3D objektov bola montáž stavebných blokov, ktoré boli neskôr navzájom spojené ako časti stavebnice (viac sa o tom dočítate v).
Slovník
Aplikácie DNA origami: DNA čipy, molekulárne stroje a nanoroboty
Doteraz sme sa dotkli hlavne procesu navrhovania a zostavovania DNA origami a takmer vôbec sme nespomenuli, prečo je to všetko potrebné. A skutočne, štruktúry DNA nie sú vyvinuté preto, aby sme ich obdivovali a prijímali estetické potešenie! Moderná DNA nanotechnológia je zameraná na riešenie viacerých aplikovaných problémov súvisiacich s medicínou, biotechnológiou a programovaním.
DNA konštrukty môžu niesť na povrchu niekoľko striktne orientovaných funkčných skupín, ktoré špecificky viažu tú či onú molekulu, a tak registrujú ich prítomnosť. V najjednoduchších prípadoch sa syntetizuje špeciálna svorka DNA so sekvenciou komplementárnou k molekule RNA alebo DNA v roztoku. Pri použití AFM môžeme dokonca zaznamenať akt jedinej väzby takejto molekuly, pretože keď dôjde k spojeniu medzi štruktúrou DNA origami a cieľovou molekulou, cieľová molekula začne silne „vyčnievať“. To je okamžite viditeľné pri analýze obrazu.
Použitie ligandov alebo aptamérov umožňuje vytvorenie skutočných senzorových čipov. S ich pomocou je možné zaregistrovať prítomnosť nielen jednovláknových molekúl nukleových kyselín, ale aj molekúl proteínov a iných pre nás zaujímavých zlúčenín. Pri úspešnej kombinácii okolností môžeme hovoriť o detekcii aj jednotlivých molekúl.
Schopnosť registrácie možno zlepšiť fixáciou štruktúr DNA origami na povrch substrátu. V tomto prípade je substrát predbežne označený pomocou metód litografie a leptania, po ktorých je ošetrený špeciálnymi chemickými zlúčeninami. Pri správnej príprave „odrazového mostíka“ na výsadbu sú štruktúry DNA zarovnané presne v poradí na miestach, ktoré nás zaujímajú, a dokonca aj v požadovanej orientácii. Výsledkom sekvencie takýchto operácií je celkom presné umiestnenie origami štruktúr DNA na substrát, ktorý zase slúži ako substrát pre ešte presnejšie umiestnenie študovaných molekúl veľmi odlišného charakteru. Čip pre širokú škálu detekovateľných chemických zlúčenín je pripravený na použitie!
Jednou z najzaujímavejších oblastí DNA nanotechnológie je vytváranie molekulárnych strojov, ktoré by mohli vykonávať rôzne operácie s minimálnym zásahom človeka. Napríklad Ned Seaman a jeho kolegovia zostavili chodiaci DNA stroj s dvoma nohami. Na vopred navrhnutý substrát (tiež vyrobený z DNA) umiestnili niekoľko ďalších jednoduchých DNA strojov, ktoré držali zlaté nanočastice a mohli ich uvoľniť, keď zmenili konformáciu. Náš „molekulárny chodec“ kráčal po substráte (po už predtým známej ceste, ktorú bolo tiež potrebné zmontovať) a keď sa ocitol v blízkosti nosičov zlata, zobral im nanočasticu zlata! Po získaní zlata sa náš hrdina neupokojil a šiel za ďalšou časťou zlatej koristi. Na konci experimentov sa mal lakomý DNA chodec poriadne obohatiť!
Na demonštráciu programovateľných pohybových schopností molekulárnych strojov ďalšia skupina výskumníkov zostavila DNA „pavúka“ s tromi nohami a jedným chvostom. (Samozrejme sa ukázalo, že ide o zvláštneho pavúka, ale pred tým prižmúrime oči.) Na nohy „pavúka“ DNA boli pripevnené funkčné molekulárne skupiny, ktoré umožňovali pohybovať sa po špeciálne vytvorenej dráhe pre tento účel. Pavúk bol priviazaný za chvost molekulovým zámkom na samom začiatku svojej cesty; potom, keď spojil molekulu zámku s molekulou kľúča, bol prepustený a ušiel preskúmať svet! Pohyb DNA pavúka bol zachytený v reálnom čase pomocou totálnej vnútornej reflexnej mikroskopie - jeho priemerná rýchlosť bola 3 nm/min. Zrejme neutiekol, skôr sa s potešením prechádzal po svojej ceste.
Veľké nádeje sa vkladajú do DNA origami a ďalších DNA nanotechnológií v súvislosti s problematikou cieleného dodávania liekov bunkám v núdzi. Žiaľ, táto oblasť nie je tak rozvinutá ako ostatné a stále prebieha intenzívny výskum. Môžeme len veriť, že objavy súvisiace s DNA robotmi slúžiacimi v prospech zdravotníctva a ľudstva ako celku ešte len prídu!
Namiesto záveru
K dnešnému dňu vedci z rôznych krajín zhromaždili veľké množstvo experimentálnych údajov a opísali veľké množstvo mechanizmov založených na technológiách DNA, ktoré ešte musia byť úplne pochopené a vyhodnotené. Už teraz nie je možné podrobne opísať každú z výsledných štruktúr a jej výhody oproti ostatným. Veď ak pred 10 rokmi sa výskumom tohto druhu zaoberalo len niekoľko laboratórií po celom svete, teraz ich počet dosahuje niekoľko desiatok. Čo sa týka budúcnosti tohto vedného odboru, s istotou možno povedať len jedno – bude to ešte zaujímavejšie! Aby sme vás o tom presvedčili, uvádzame názov článku, ktorý bol publikovaný v apríli 2014 – „Univerzálne počítanie pomocou DNA origami robotov u živého zvieraťa“, ktorý popisuje použitie DNA nanorobotov u živých švábov Programované dvojrozmerné samozostavenie viacerých kúskov skladačky DNA origami. ACS Nano 5, 665-671; ;
- Vzdelávacie: formovať počiatočné poznatky o štruktúre, chemickom zložení a funkciách molekuly DNA.
- vývojové: podporovať rast aktívnej životnej pozície, rozvíjať schopnosť analyzovať a aplikovať získané vedomosti v živote.
- Vzdelávacie: rozvíjať zmysel pre zodpovednosť za svoj život a život budúcich detí; vštepiť lásku k prírode.
Vzdelávacie vizuálne pomôcky:
- jednotlivé karty úloh na kontrolu preberaného materiálu v troch verziách
- nahrávač zvuku
- karty s podmienkami
- demonštračný model DNA
- sada farebného drôtu na výrobu „svojej“ DNA
- sada farebných pasteliek
Počas vyučovania
1. Úvodný prejav učiteľa.
"Príroda je najdôležitejšia vec a všetko sa deje podľa jej zákonov a my sme časticami samotnej prírody a tiež žijeme podľa jej zákonov a v nás pôsobia tie isté sily." Toto sú slová z knihy, autora slávneho „Systému kalenia - Ľudský tréning“ - P.K. Ivanov.
Skúsme definovať kľúčové slová tu:
PRÍRODA, ZÁKONY „MOCI“ V NÁS.
Tieto pojmy poznáme z kurzov fyziky, chémie a biológie. Ale aké sily sú v nás, ako fungujú - zistíme počas lekcie.
2. Zahrejte sa.
Ako už viete, bunky obsahujú asi 80 rôznych chemických prvkov.
Majú rôzne účinky na vlastnosti a procesy v živých organizmoch
Takže úloha:
Možnosť I - vplyv prvkov na telo:
Ca, Fe, Md, I, Zn.
Možnosť II - pomenujte makroprvky, mikroprvky, ultramikroprvky (chemické značky, % obsah).
Možnosť III - odpovedzte na otázky:
Aké látky sú klasifikované ako anorganické?
Aké látky sú klasifikované ako organické?
Čo znamená „anorganický“?
Čo znamená „organické“?
Všetky živé organizmy pozostávajú z... (spustí sa pokojná hudba)
3. Štúdium nového materiálu.
Je známe, že rozprávka je lož, ale je v nej náznak a získa sa nezvyčajné ponaučenie. Lekcia bez témy.
Problémová úloha:
Počas vysvetľovania určite názov témy lekcie. Poviem teda rozprávku a vy si do notebooku zaznamenáte „rady“.
V určitom kráľovstve, vnútrobunkovom stave, žilo jadro. Tak okrúhle a milé. A názov je taký jednoduchý – Core (diagram sa vykresľuje na doske v priebehu príbehu). (Obrázok 1)
Neprekážalo mi to. Štát, hoci malý, mal riadne hranice (škrupina) a priekopu s viskóznou kvapalinou (cytoplazma). Žili tam pirane (lyzozómy). Keď prefíkaní zámorskí obchodníci priviezli tovar cez hranice (metabolizmus), lyzozómy prísne sledovali kvalitu a nekvalitné produkty boli okamžite strávené: spolu s obchodníkmi.
Jadro sa stalo hrdým, že je to také dôležité. Obchodníci pred ním „rozbili čiapky“ a pridelili mu vlastný titul, zámorský. Odvtedy začali šikovne nazývať jadro – JADRO (ako hodina postupuje, na tabuľu sa prikladajú kartičky s úlohami).
Čas uplynul. Nucleus je smutný, nemá sa s kým porozprávať, napadlo ho odovzdať dedičstvo, pomyslel si a rozhodol sa, že zo svojho tela (nukleotidov) vytvorí malé dieťa.
Usporiada nukleotidy:
Práve tu adenyl(A), tu cytidyl(C), tu tymín(T), no, tu guanyl(G).
Nič nevychádza. Našťastie sa objavili hostia. Prišiel priateľ na hrudi - enzým a bratranci - vodíková a kovalentná väzba. Potom sa rozbehlo ATF. Všetci sa chválili, aké je to všestranné.
Všetci sa pustili do spoločnej práce - rozloženia nukleotidov.
Kovalentná väzba je najchytrejšia, najsilnejšia a začala skladať nukleotidy do párov nie náhodne, ale s citom. A tento pocit" komplementárnosť sa volá. (Obrázok 2)
Tu zasiahla vodíková väzba: „Hoci som preháňadlo, aj ja pomôžem; poď, všetko poriadne utiahnem.“ A „prekrútil to“. Krásne to vyšlo. (Obrázok 3)
Enzým okamžite dal novorodencovi meno - polynukleotid A potom ATF kričí (veľmi energický človek):
"Je to dievča! Pozri, má pás!" Nič na práci. Začali si vyberať iné meno. Spomenuli sme si. V jadre bola babička, volala sa - deoxyribóza. Preto sa rozhodli pomenovať novorodenca deoxyribonukleová kyselina, alebo v skratke DNA. Tu sa rozprávka končí a kto počúval, pomenuje tému hodiny:
"Zrodenie DNA"
4. Konsolidácia – „Vybudujte si svoju DNA.“
(Každý si vytvorí svoju vlastnú DNA z farebného drôtu)
získa sa dvojvláknová superhelix
5. Závery.
A keď DNA narástla, dostala pas, stala sa súčasťou chromozómu a dostala tam prácu: uchováva a prenáša genetické informácie.
Možno je to „sila v nás“.
6. Domáce úlohy.
a) ústne – môj dnešný objav
Čo sa zmenilo v mojom videní sveta
b) písomné - napíšte pravidlá správania sa vo vzťahu ku všetkému živému v mene: vlka, zajaca, mrkvy.
