Что такое ДНК-цветы и почему они важны?
Разработан новый тип кристаллических структур, состоящих из ДНК и неорганических материалов, меняющих форму в зависимости от окружающей среды. Они имеют форму, напоминающую цветок, и реагируют на внешние изменения, переходя из одного состояния в другое в строго определенном порядке. Складывание и раскладывание «лепестков» происходит за считанные секунды, что делает эти структуры одними из самых быстродействующих материалов в этом масштабе. Их поведение определяется самой организацией ДНК, которая определяет, когда и как произойдет изменение формы. Исследование опубликовано в научном журнале Природные нанотехнологии.
Микроскопические структуры в форме цветка построены из нитей ДНК в сочетании с определенными солями металлов, которые придают стабильность сформированному кристаллическому скелету. Полученный наноматериал одновременно стабилен и достаточно гибок, чтобы менять форму в зависимости от условий окружающей среды, таких как температура, pH или присутствие определенных молекул. При низком pH сами ДНК-элементы в структуре сворачиваются и «лепестки» закрываются, а при нейтральном pH кристалл снова разворачивается. Это обратимое изменение структуры лежит в основе потенциального применения этих наноструктур в медицине и при разработке новых материалов.
Как эти наноструктуры реагируют на окружающую среду?
Реакция ДНК-цветков определяется не только внешними факторами, но и внутренней молекулярной «программой», закодированной в их последовательности ДНК. Он регулирует, когда и при каких химических условиях произойдет структурное изменение. Эта запрограммированная чувствительность позволяет наноструктурам вести себя как активные участники биохимических процессов – передавать сигнал, высвобождать или связывать вещества и даже участвовать в каталитических реакциях. Именно это сочетание предсказуемости и адаптивности делает их потенциальной основой для создания «умных» материалов и точных носителей терапевтических молекул.
Эти структуры ведут себя как живые организмы – они адаптируются к изменениям окружающей среды, реагируют на стресс и взаимодействуют с клетками. В отличие от классических синтетических материалов, их поведение напоминает рост и адаптацию. Это приближает их к биологическим тканям и позволяет создавать системы, изменяющиеся в зависимости от условий, не следуя жестко фиксированному шаблону.
Каковы возможные медицинские и технологические применения этих наноструктур?
ДНК цветов разрабатывается в лаборатории, но их свойства открывают новые возможности для терапевтического применения. В онкологии эти наноструктуры доставляют лекарства непосредственно в опухолевую ткань. Среда опухоли обычно более кислая, чем окружающая здоровая ткань, что вызывает изменение формы структуры и местное высвобождение препарата. Таким образом, терапевтический эффект концентрируется на опухоли и снижается воздействие на здоровые ткани.
Кроме того, тот же механизм можно использовать и для диагностики. Закрытие «лепестков» может сопровождаться изменением флюоресценции или выделением индикаторных молекул, позволяющих раньше обнаружить патологические изменения.
Вне медицины ДНК-цветы можно использовать в нескольких сферах:
- Среда – наноструктуры реагируют при контакте с загрязненной водой, используя специальные ферменты для расщепления загрязняющих веществ;
- Хранение информации — благодаря высокой плотности кодирования ДНК одна чайная ложка такого материала теоретически может хранить до двух триллионов гигабайт данных;
- Микроскопические машины – ДНК-цветы могут образовывать миниатюрные автономные системы, которые двигаются и выполняют задачи самостоятельно, без необходимости внешнего контроля.
Это знаменует собой начало нового класса материалов, которые активно действуют в живых тканях и химически активных средах, а не остаются пассивными. Эти умные наноструктуры могут изменить подходы к лечению хронических заболеваний, тканевой инженерии и разработке миниатюрных электронных систем.
Ссылки:
1. Гао Ю, Ши В, Клава С.Дж. и др. Обратимая метаморфоза иерархической ДНК – неорганические кристаллы. Нат Нанотехнол. 2025:1-9. doi: 10.1038/s41565-025-02026-8.
2. Зееман Н.С., Сулейман Х.Ф. ДНК-нанотехнологии. Нат преподобный Матер. 2018;3(1):17068. doi:10.1038/natrevmats.2017.68.
3. Чао Дж., Лю Х., Су С., Ван Л., Хуан В., Фань С. Структурная нанотехнология ДНК для интеллектуальной доставки лекарств. Маленький. 2014;10(22):4626–4635. doi:10.1002/smll.201401309.