Ауторепликация и комплементарность
В живой природе ауторепликация встречается повсеместно и составляет основу жизни на нашей планете. Воспроизводят сами себя молекулы ДНК, РНК и некоторые другие сложные белковые молекулы, например энзимы. До сих пор учёным удавалось лишь искусственно воссоздать природный процесс. Следующим ожидаемым шагом в развитии нанотехнологий и материаловедения должно было стать создание полностью искусственной структуры произвольной конструкции, способной безошибочно воспроизводить себя из окружающих химических компонентов.
Ученые из Университета Нью-Йорка смогли добиться столь желанной цели, использовав в качестве основы для своего «фертильного» материала фрагменты молекул ДНК. Как известно, ДНК состоит из четырех азотистых оснований, которые могут формировать парные комплексы с помощью образования водородных связей. Эта возможность объединяться попарно в химии называется комплементарность. Из четырёх кирпичиков, которые, складываясь в определённой последовательности, в результате образуют молекулу ДНК, аденин комплементарен тимину, а гуанин — цитозину.
В качестве основы для создания аутореплицирующегося материала нью-йоркские исследователи позаимствовали эту способность попарно объединяться у составляющих молекул ДНК.
Три поколения в одном стакане
Именно сложная конструкция, состоящая в итоге из шести двойных спиралей, и служила «зародышевой» молекулой для демонстрации возможности искусственной ауторепликации. Для каждого фрагмента ДНК, назовём их условно A или B, использованного для сборки этой большой молекулы, была также синтезирована комплементарная пара A' или B'. Для инициации процесса самовоспроизводства исходные молекулы помещали в химический раствор, содержащей комплементарные ДНК-кирпичики, необходимые для постройки новых молекул. В результате к каждому фрагменту (которые мы назвали A или B) присоединялся комплементарный фрагмент (A' или B'). В итоге получалась полностью «комплементарная» исходной крупная дочерняя молекула.
При нагревании до 37°C она отделялась и продолжала существовать в растворе самостоятельно.
Экспоненциальные надежды
Впрочем, на 100% свою цель нью-йоркские физики и химики выполнили только качественно. Количественно же выход второго, «внучатого», поколения составил лишь немногим более 30% от числа исходных молекул. Это связано с тем, что в процессе репликации происходят ошибки и в растворе появляются «мусорные» — неправильно или не полностью собранные — молекулы. И эту проблему учёным решить только предстоит.
«Это первый шаг в процессе создания искусственного самореплицирующегося материала произвольно выбранного состава, — считает Пол Чайкин, профессор физического факультета Университета Нью-Йорка, известный физик-материаловед, ученик Ричарда Фейнмана и один из соавторов исследования».
«Следующая задача состоит в том, чтобы создать процесс, в котором саморепликация происходит не только для нескольких поколений, но достаточно продолжительное время, чтобы продемонстрировать экспоненциальный рост числа молекул», — отметил ученый.
«Несмотря на то что наш метод репликации требует многократных химических и термических производственных циклов, мы продемонстрировали саму возможность реплицикации не только для таких молекул, как клеточная ДНК или РНК, но и для дискретных структур, которые могут в принципе принимать разные формы, иметь много разных функциональных признаков и объединяться с различными типами химических соединений», — добавил соавтор и коллега Чайкина с химического факультета, профессор Надриан Симэн.
У учёных уже есть несколько идей, как улучшить процесс. Например, использовать активацию светом вместо разрушающего нагревания. А добившись стабильного экспоненциального роста числа молекул, они собираются приступить к созданию функциональных материалов на основе предложенных принципов.
