Самосборка капель эмульсии с молекулами ДНК имитирует сворачивание белков

Работы по самосборке умных материалов публикуются с начала 2000-х годов. Идея в том, чтобы производить материалы сложного строения, лишь задавая начальные условия, без необходимости контролировать каждый этап процесса. Команда физиков из США и Франции предлагает способ самосборки капель эмульсии, который может стать основой для создания инновационных материалов. Капли имеют небиологическое происхождение, но при сборке соединяются за счет комплементарности прикрепленных к ним нитей ДНК, а весь процесс напоминает сворачивание (фолдинг) аминокислотной цепочки в функциональную молекулу белка.

Авторы получили микроскопические капельки масла (полидиметилсилоксана) в водном растворе, окрашенные в голубой или желтый цвет для удобства наблюдения. Капли несут на себе длинные молекулы ДНК, которые отвечают за прочные связи, соединяющие одну каплю с другой, когда температура раствора опускается ниже 75 °С. Каждая частица имеет «валентность 2»  (в предыдущей работе авторов объясняется, как можно добиться термодинамического равновесия, которое обеспечивает именно такое расположение ДНК на каплях), поэтому получаются неразветвленные цепочки. Последовательности ДНК подобраны таким образом, что голубые и желтые капли в цепочке чередуются. Кроме того, капли покрыты короткими молекулами ДНК, которые обеспечивают укладку цепочки — создают аналог нековалентных связей, формирующих вторичную и третичную структуру белка. При понижении температуры до 40 °С голубые капли слипаются друг с другом боками, при 32 °С — голубые с желтыми, при 27 °С — желтые с желтыми. Специфичность взаимодействия при каждой из температур достигается грамотным подбором последовательностей ДНК. Для ускорения полимеризации капли диспергировали в ферромагнитной жидкости и помещали в магнитное поле.

В результате авторам удалось получить сложные формы, похожие на головоломку «змейка Рубика». Эти структуры авторы назвали «коллоидными фолдамерами». Например, цепочка из 13 чередующихся звеньев дает 11 двумерных фолдамеров и один трехмерный. Оптимизация последовательности желтых и голубых капель и добавление капель третьего типа может увеличить число возможных геометрий до сотен. Моделирование показывает, что фолдамеры способны взаимодействовать друг с другом, образуя супраколлоидные структуры — димеры, ленты и мозаики.

 Микроскопические изображения фолдамеров. Credit: Brujic Lab | Пресс-релиз

Ученые подчеркивают контринтуитивный аспект метода: применение технологии фолдинга позволяет получить многообразие форм всего из нескольких исходных блоков (как это и происходит в природе с белками и РНК).

«В отличие от пазла, в котором все части разные, в нашем процессе используются только два типа частиц, что значительно сокращает количество строительных блоков, необходимых для кодирования определенной формы, — объясняет Ясна Бруич, профессор физического факультета Нью-Йоркского университета. — Инновация заключается в использовании фолдинга, как в белках, но в тысячу раз крупнее — примерно в одну десятую ширины волоса. Частицы сначала связываются вместе, образуя цепь, и затем она складывается в соответствии с заранее запрограммированными взаимодействиями, которые сложным путем формируют из цепочки уникальную геометрию». Из набора этих множественных форм на следующем уровне сборки можно будет создавать разнообразные материалы, «точно так же, как белки иерархически объединяются для создания клеточных компартментов в биологии», — добавляет она.