˝ycia

i nanotechnologii

N A G R A N I C Y

W

ubieg∏ym roku Êwi´towaliÊmy 50 rocznic´ odkrycia helikalnej struktury
DNA. Osiàgni´cie Jamesa D. Watsona i Francisa H. Cricka sprowadzi∏o
genetyk´ do chemii i ukierunkowa∏o rozwój biologii na ca∏e pó∏wiecze. DziÊ
tysiàce naukowców wytrwale pracujà nad poznaniem niezliczonych spo-

sobów, na jakie geny kontrolujà rozwój i funkcjonowanie organizmów. Wszystkie te ge-
ny zapisane sà w szczególnym noÊniku danych – DNA.

Zastosowania tej niezwyk∏ej czàsteczki wykraczajà jednak poza ramy biochemii.

Naukowcy, wytwarzajàc i dowolnie zestawiajàc d∏ugie ∏aƒcuchy DNA, wkraczajà na
Êcie˝ki, którymi przyroda nie podà˝a∏a podczas ewolucji ˝ycia. Na przyk∏ad w roku 1994
Leonard M. Adleman z University of Southern California pokaza∏, jak u˝yç DNA do wy-
konywania obliczeƒ [patrz: Leonard M. Adleman „DNA – komputerem”; Âwiat Na-
uki, paêdziernik 1998]. Ja opisz´ inne niebiologiczne zastosowania DNA, takie jak
konstruowanie struktur i urzàdzeƒ, których zasadnicze cz´Êci i mechanizmy majà
rozmiary od jednego do stu nanometrów. Opowiem o nanotechnologii.

Struktury takie majà wiele potencjalnych zastosowaƒ. W sieci krystalicznej wykona-

nej z DNA mo˝na by umieszczaç du˝e czàsteczki biologiczne i metodami krystalogra-
fii rentgenowskiej badaç ich struktur´, co u∏atwi∏oby tzw. racjonalne projektowanie
nowych leków. Sieci DNA mog∏yby te˝ pos∏u˝yç za rusztowania dla elementów nano-
elektronicznych – jako gotowe urzàdzenia lub pomoc w ich produkcji. Pojawià si´ rów-
nie˝ prawdopodobnie nowe tworzywa wykonane albo z DNA, albo przez DNA, któ-
rych struktury dok∏adnie da si´ zaprojektowaç ju˝ na poziomie czàsteczkowym. W
przysz∏oÊci zapewne powstanà z DNA równie˝ maszyny – nanomechaniczne czujniki,
prze∏àczniki i p´sety, a nawet du˝o bardziej z∏o˝one mechanizmy.

Wieloramienny DNA

NANOSKALA

to skala czàsteczek. Typowe wiàzanie mi´dzy dwoma atomami ma oko∏o

0.15 nm d∏ugoÊci. Helisa DNA ma Êrednic´ oko∏o 2 nm, jej skok wynosi 3.5 nm – na
tym odcinku zazwyczaj znajduje si´ 10 par zasad azotowych, które tworzà „szczeble”
drabiny [górna ilustracja na stronie 41]. Krótki fragment nici DNA, zale˝nie od se-
kwencji par zasad, wchodzi w specyficzne interakcje z innymi substancjami chemicz-
nymi. Nici te mo˝na wykorzystaç do rozpoznawania okreÊlonych czàsteczek albo kon-
troli sk∏adu substancji chemicznych przez katalizowanie nimi okreÊlonych reakcji.
Biolodzy od wielu ju˝ lat wykorzystujà zdolnoÊç DNA do rozpoznawania si´ oraz przy-

LIPIEC 2004 ÂWIAT NAUKI

39

DNA

jest wi´cej ni˝ istotà ˝ycia.

To tak˝e uniwersalny materia∏,

z którego mo˝na budowaç maszyny

o rozmiarach nanometrów

Nadrian C. Seeman

DNA SAMORZUTNIE ORGANIZUJE SI¢ w skomplikowane struktury, gdy sekwencje
zasad zaprojektuje si´ tak, by nici ∏àczy∏y si´ w okreÊlony sposób. Ilustracja przedstawia
sztywny szkielet Êci´tego oÊmioÊcianu, który ma osiem szeÊciokàtnych Êcian i szeÊç
kwadratowych. Kraw´dzie majà d∏ugoÊç oko∏o 20 nm. Z ka˝dego wierzcho∏ka wystaje
„spinka” DNA. Spinki mo˝na tak zmodyfikowaç, by po∏àczy∏y Êci´te oÊmioÊciany
i uformowa∏y regularne trójwymiarowe rusztowanie.

KEN EW

ARD

BioGrafx

(na gór

ze

); ALICE Y

. CHEN (

na dole

)

∏àczania fragmentów z odpowiadajàcymi sobie „lepkimi koƒ-
cami”. Lepki koniec powstaje, gdy jedna niç helisy jest d∏u˝-
sza o kilka niesparowanych zasad od drugiej [dolna ilustracja
na stronie 41]. LepkoÊç to sk∏onnoÊç takiego wystajàcego od-
cinka DNA do wiàzania si´ z nicià, która ma ustawione we
w∏aÊciwym szyku komplementarne zasady: adenina jednej
nici wià˝e si´ z tyminà przeciwleg∏ej, cytozyna wià˝e si´ z
guaninà [patrz: Stephen H. Friend i Roland B. Stoughton
„Magiczne mikromacierze”; Âwiat Nauki, kwiecieƒ 2002].

Na pierwszy rzut oka nie wydaje si´, by DNA móg∏ uk∏adaç

si´ w interesujàce struktury. Spotykany w przyrodzie formu-
je liniowe ∏aƒcuchy podobne do d∏ugich kawa∏ków szpagatu.
Wszystko wi´c, co mo˝na sobie wyobraziç, to odcinki, okr´gi
lub co najwy˝ej splàtane k∏´bki nici. Ale DNA przybiera nie
tylko form´ liniowà. Podczas pewnych procesów komórko-

wych przez krótkà chwil´ ma kszta∏t rozga∏´zionej czàsteczki.
Dzieje si´ tak w czasie replikacji DNA (w fazie przygotowaƒ do
podzia∏u komórki) oraz rekombinacji (kiedy materia∏ gene-
tyczny jest wymieniany mi´dzy parami chromosomów, np. w
trakcie produkcji plemników i komórek jajowych).

Rozga∏´zienia powstajà, gdy podwójna helisa cz´Êciowo

si´ rozplàtuje. Podczas replikacji z ka˝dej nici tworzy si´
nowa podwójna helisa – na ca∏ej d∏ugoÊci nici do∏àczane sà
komplementarne nukleotydy (nukleotyd to zasada azotowa i
odpowiadajàcy jej fragment szkieletu helisy). Bardziej inte-
resujàcy jest jednak proces crossing-over, który zachodzi
podczas rekombinacji, gdy dwa fragmenty DNA sà rozrywa-
ne i cz´Êciowo rozplàtywane, a powsta∏e w ten sposób czte-
ry nici ∏àczà si´, tworzàc struktur´ podobnà do skrzy˝owa-
nia dwóch autostrad.

W czasie rekombinacji DNA rozga∏´zienie pojawia si´ w

miejscu, w którym nast´puje wymiana nici mi´dzy ∏aƒcu-
chami. Skrzy˝owanie to przemieszcza si´, poniewa˝ uk∏ad
otaczajàcych je sekwencji zasad azotowych jest symetryczny
(z∏o˝enie dwóch symetrii osiowych o osiach przecinajàcych
si´). Symetria sprawia, ˝e ka˝da z nici pierwszej czàsteczki
DNA mo˝e po∏àczyç si´ z jednà z dwóch nici drugiej czàstecz-
ki. Kiedy w roku 1979 wraz Bruce’em H. Robinsonem, obec-

nie w University of Washington, pracowa∏em nad opisem isto-
ty tego ruchu, dostrzeg∏em, ˝e syntetyczne czàsteczki DNA, któ-
rym brak tej symetrii, mogà formowaç czàsteczki o nierucho-
mych punktach rozga∏´zienia. Budowa takiego w´z∏a wymaga
stworzenia czterech nici DNA. Sekwencja jednej po∏owy
ka˝dej z nici powinna odpowiadaç sekwencji po∏owy drugiej
nici, a pozosta∏a sekwencja pierwszej nici powinna byç kom-
plementarna do sekwencji po∏owy trzeciej nici [dolna ilustra-
cja na stronie obok].

W przyrodzie DNA najch´tniej uk∏ada si´ w konwencjo-

nalnà podwójnà helis´, t´ opisanà przez Watsona i Cricka.
Czynnikiem rozstrzygajàcym, która ze struktur powstanie,
jest wielkoÊç zwana energià swobodnà. Na ogó∏ energia ta
determinuje kierunek przebiegu reakcji chemicznej. Decydu-
je te˝ o konformacji – zagi´ciach i po∏àczeniach – du˝ych czà-

steczek, takich jak DNA, RNA i bia∏ka. Uk∏ad chemiczny za-
wsze dà˝y do stanu o najni˝szej energii swobodnej. Dwie
komplementarne nici nukleotydów majà najmniejszà ener-
gi´, gdy sparujà si´ w podwójnà helis´.

Cztery pojedyncze nici naszego nieruchomego skrzy˝owa-

nia utworzà najd∏u˝szà konwencjonalnà podwójnà helis´ DNA
tylko wtedy, gdy po∏àczà si´ w rozga∏´zione moleku∏y. Zazwy-
czaj rozga∏´zienia nie przynoszà korzyÊci czàsteczce, zwi´k-
szajà bowiem jej energi´ swobodnà. W rozwa˝anym przypad-
ku wzrost ten jest jednak nieznaczny w porównaniu z
oszcz´dnoÊcià energii, jaka wynika z uformowania czterech
ramion podwójnej helisy DNA. Wspó∏czeÊnie mo˝na ∏atwo syn-
tetyzowaç nici o dowolnych sekwencjach zasad i realizowaç
idee stabilnych rozga∏´zionych moleku∏ DNA. W roku 1979 by-
∏a to jednak chemia najwy˝szych lotów, a ja by∏em krystalo-
grafem, nie chemikiem organicznym, tak wi´c o sieciach kry-
stalicznych DNA mog∏em sobie jedynie rozmyÊlaç (samodzielnie
wytwarzaç DNA nauczy∏em si´ dopiero w roku 1982).

Inspiracja Escherem

DOSZED

¸EM DO WNIOSKU

, ˝e mo˝liwe powinno byç utworzenie

rozga∏´zionego DNA z wieloma ramionami, nie tylko z czte-
rema. Pewnego jesiennego dnia 1980 roku wybra∏em si´ do
pubu w miasteczku uniwersyteckim. Z jakiegoÊ powodu my-
Êla∏em o drzeworycie holenderskiego artysty M. C. Eschera
G∏´bia [ilustracja na stronie 42]. UÊwiadomi∏em sobie, ˝e Êro-
dek cia∏a ka˝dej z ryb na obrazie przypomina wyidealizowa-
ny punkt skrzy˝owania szeÊciu ramion DNA. Z korpusu ryby
symetrycznie wyrastajà cztery p∏etwy: grzbietowa, brzuszna,
lewa i prawa. Ryby u∏o˝one sà jak czàsteczki w krysztale –
ten sam wzór powtarza si´ we wszystkich kierunkach. Pomy-
Êla∏em, ˝e gdybym spoi∏ rozga∏´zienia za pomocà lepkich koƒ-
ców, móg∏bym uporzàdkowaç materi´ w skali nanometrów
podobnie jak Escher swojà ∏awic´ ryb w wyobraêni.

Jest kilka powodów, dla których warto budowaç takie struk-

tury. Po pierwsze, chcemy wytwarzaç makroskopowe frag-
menty tworzyw sk∏adajàcych si´ z czàsteczek uprzednio zapro-
jektowanych i osadzonych w strukturze z nanometrowà
dok∏adnoÊcià. Ta technika mo˝e zaowocowaç tworzywami o

40

ÂWIAT NAUKI LIPIEC 2004

n

DNA doskonale nadaje si´ do budowania struktur w nanoskali.

Nici DNA mo˝na zaprogramowaç tak, by same organizowa∏y si´
w z∏o˝one uk∏ady. Komplementarne zasady azotowe dwóch nici
samorzutnie i przewidywalnie ∏àczà si´ ze sobà, tworzàc
podwójne helisy.

n

W rusztowaniach z DNA planuje si´ umieszczaç inne czàsteczki

i za pomocà krystalografii badaç ich struktur´. Mo˝na do nich
te˝ wk∏adaç urzàdzenia elektroniczne o rozmiarach moleku∏
albo wykorzystaç je do konstruowania tworzyw o okreÊlonych
uk∏adach czàsteczek.

n

Dzia∏anie nanomaszyn opiera si´ na zmieniajàcych konformacje

elementach z DNA. Ruch ten mo˝na kontrolowaç za pomocà
czynników chemicznych lub specjalnych nici DNA.

Przeglàd /

Nanotechnologia DNA

¸A¡CUCHY DNA

wchodzà w niezwykle przewidywalne interakcje,

a ich ró˝norodnoÊç daje swobod´

W PROJEKTOWANIU CZÑSTECZEK

.

nowych w∏aÊciwoÊciach lub nowymi zestawieniami w∏aÊci-
woÊci. Na przyk∏ad materia∏y o wybranych i zaprojektowa-
nych cechach optycznych, takie jak kryszta∏y fotoniczne, mo-
g∏yby powstawaç na bazie precyzyjnie zdefiniowanych matryc
[patrz: Eli Yablonovitch „Kryszta∏y fotoniczne – pó∏przewod-
niki Êwiat∏a”; Âwiat Nauki, luty 2002].

Drugim celem jest zastosowanie DNA jako rusztowania pod-

trzymujàcego inne czàsteczki, a wÊród nich te, które nie two-
rzà samodzielnie struktury krystalicznej. W eksperymentach

krystalograficznych przydatne mogà byç sieci konstruowane
z „klatek” z DNA, wewnàtrz których mieÊci∏yby si´ du˝e czà-
steczki biologiczne, na przyk∏ad bia∏ka [ilustracja na nast´pnej
stronie]. Klatki umo˝liwi∏yby krystalografom ustalenie trójwy-
miarowej struktury unieruchomionych w nich moleku∏. Tym
samym u∏atwi∏yby proces wytwarzania leków, które przy∏àcza-
jà si´ do okreÊlonych fragmentów czàsteczek i bezpoÊrednio
na nie oddzia∏ujà. (W∏aÊnie mo˝liwoÊç zastosowania DNA w
krystalografii najbardziej motywowa∏a mnie do dalszej pracy

LIPIEC 2004 ÂWIAT NAUKI

41

CZÑSTECZKA DNA ma
nanometrowe rozmiary.
Sk∏ada si´ z dwóch
szkieletów cukrowo-
-fosforanowych, pomi´dzy
którymi znajdujà si´ pary
zasad komplementarnych
(A i T oraz C i G),
po∏àczonych wiàzaniami
wodorowymi (z lewej).
Najcz´Êciej w przyrodzie
wyst´puje konformacja
B-DNA (poÊrodku), która
zwija si´ w podwójnà
prawoskr´tnà helis´
o Êrednicy 2 nm. Jeden
skok helisy to oko∏o 3.5 nm
(czyli 10–10.5 par zasad).
W szczególnych
okolicznoÊciach DNA
mo˝e utworzyç lewoskr´tnà
podwójnà helis´ zwanà
Z-DNA (z prawej).

2.0 nm

3.5 nm

B-DNA

Nukleotyd

Zasady

azotowe

Grupa fosforanowa

Deoksyryboza

Wiàzania

wodorowe

mi´dzy zasadami

Z-DNA

STRUKTURA DNA

Zasady azotowe

Helisa
prawoskr´tna

Helisa

lewoskr´tna

Szkielet cukrowo-fosforanowy

Szkielet
cukrowo-fosforanowy

a

b

c

d

e

Lepki koniec

SK¸ONNOÂå do wiàzania si´ nici o komplementarnych sekwencjach zasad
umo˝liwia samoorganizacj´ DNA w z∏o˝one struktury. Do ∏àczenia poszczególnych
segmentów wykorzystuje si´ tzw. lepkie koƒce (a), krótkie odcinki niesparowa-
nych nici wystajàce z koƒców czàsteczki DNA. Drugim bardzo wa˝nym elemen-
tem konstrukcyjnym jest rozga∏´ziony DNA (b), który w punkcie rozwidlenia spa-
ja co najmniej trzy helisy. W naturalnie rozga∏´zionym DNA punkt rozwidlenia mo˝e
si´ przemieszczaç (c), poniewa˝ sekwencje zasad na czterech ramionach sà sy-
metryczne. Pozbawiony tej symetrii syntetyczny DNA ma nieruchomy punkt roz-
widlenia (d). Kopie rozga∏´zionego DNA wyposa˝one w komplementarne lepkie
koƒce (e) samodzielnie uk∏adajà si´ w struktur´ sieci krystalicznej.

KEN EW

ARD

BioGrafx

(na gór

ze

); ALICE Y

. CHEN (

na dole

)

w tej dziedzinie). Na razie wielu czàsteczek receptorowych,
doskona∏ych punktów uchwytu dla leków, nie da si´ badaç me-
todami tradycyjnej krystalografii. W sieci DNA mo˝na by∏oby
równie˝ umieszczaç elementy nanoelektroniczne, otrzymujàc
bardzo ma∏e uk∏ady pami´ci, co zasugerowa∏em z Robinso-
nem w roku 1987. Co prawda, mój zespó∏ nie u˝y∏ jeszcze DNA
jako rusztowania, ale odnieÊliÊmy wiele sukcesów, które przy-
bli˝ajà nas do tego celu.

Dlaczego chcemy to wszystko osiàgnàç za pomocà DNA?

Przede wszystkim dlatego, ˝e jego nici oddzia∏ujà ze sobà w
wyjàtkowo dobrze programowalny i przewidywalny sposób.
W lepkim koƒcu d∏ugoÊci N zasad zasady te sà u∏o˝one na je-
den z 4

N

mo˝liwych sposobów. Niezwyk∏a ró˝norodnoÊç oraz

sk∏onnoÊç koƒców do wiàzania si´ wy∏àcznie z odpowiadajà-
cymi im sekwencjami zasad pozwalajà na swobodne projek-
towanie czàsteczek, które b´dà z∏o˝one z wielu nici DNA w pe∏-
ni zaplanowany sposób. Na dodatek wiemy, ˝e gdy dwa lepkie
koƒce zwià˝à si´ ze sobà, uformujà klasycznà struktur´ po-

dwójnej helisy DNA i b´dzie one relatywnie sztywna. Mo˝e-
my zatem przewidzieç nie tylko, które fragmenty nici przylgnà
do siebie, ale tak˝e dok∏adny kszta∏t powsta∏ych segmentów.
Tak dok∏adnymi informacjami nie dysponujemy w przypadku
bia∏ek i przeciwcia∏, innych kandydatów na elementy kon-
strukcyjne w nanoin˝ynierii, poniewa˝ za ka˝dym razem trze-
ba ustalaç, jak dwa bia∏ka lub przeciwcia∏a si´ po∏àczà albo
jaki te pierwsze przyjmà kszta∏t.

DNA u˝ywamy równie˝ ze wzgl´du na prostot´ jego synte-

zy za pomocà narz´dzi przemys∏u biotechnologicznego. Mo-
˝emy nim manipulowaç, u˝ywajàc wielu enzymów, takich jak
enzymy restrykcyjne (które przecinajà nici w okreÊlonych
miejscach) albo ligazy (katalizujàce proces ∏àczenia dwóch
czàsteczek wiàzaniem kowalencyjnym – silnym wiàzaniem
chemicznym, które uwspólnia elektrony dwóch atomów).
Enzymy te wykorzystuje si´ przy tworzeniu (i póêniejszych
manipulacjach) zarówno konwencjonalnego DNA, jak i jego
egzotycznych pochodnych, które zawierajà inne ni˝ cztery
podstawowe zasady azotowe lub do których (po bokach dra-
biny DNA) do∏àczone sà dodatkowe czàsteczki. Naukowcy
majàcy nadziej´ na zastosowanie kwasów nukleinowych (DNA
i RNA) w medycynie stworzyli wiele takich czàsteczek. DNA
wyjàtkowo dobrze nadaje si´ do tego typu modyfikacji, po-
niewa˝ w ka˝dym nukleotydzie helisy znajdujà si´ miejsca,
do których mogà zostaç przymocowane inne czàsteczki.

Warto wreszcie wspomnieç, ˝e – jak zobaczymy dalej –

DNA mo˝na sk∏oniç do utworzenia struktury innej ni˝ stan-

42

ÂWIAT NAUKI LIPIEC 2004

G¸¢BIA

, M.C. ESCHER

. © 2004 THE M. ESCHER COMP

ANY

. WSZYSTKIE PRA

W

A

ZASTRZE˚ONE (

z lewej

); JEN CHRISTIANSEN (

z prawej

)

DRZEWORYT ESCHERA G∏´bia zainspirowa∏ autora artyku∏u do zbudo-
wania sieci z szeÊcioramiennych rozga∏´zieƒ tworzàcych trójwymiarowy
kryszta∏ (poni˝ej). Ârodek ka˝dej ryby przypomina szeÊcioramienne z∏à-
cze. Zamiast ramion z punktu centralnego wyrastajà g∏owa i ogon oraz
cztery p∏etwy: grzbietowa i brzuszna, lewa i prawa. Rusztowanie mo˝e
utrzymywaç w regularnej sieci inne czàsteczki. Na przyk∏ad klatki DNA
zawierajàce chemicznie zorientowane makroczàsteczki biologiczne mo-
gà byç u˝ywane w doÊwiadczeniach krystalograficznych. W podobny
sposób elementy uk∏adów nanoelektronicznych da si´ grupowaç w bar-
dzo ma∏e uk∏ady pami´ci.

Makroczàsteczka

NADRIAN C. „NED” SEEMAN jest krystalografem. Zniech´cony
nieudanymi próbami krystalizacji makroczàsteczkowej, wpad∏ na
pomys∏ wykorzystania rozga∏´zieƒ DNA i przystàpi∏ do jego realiza-
cji. Seeman pracuje od 16 lat na Wydziale Chemii w New York Uni-
versity. Kiedy w po∏owie lat osiemdziesiàtych powiedziano mu, ˝e
to, czym si´ zajmuje, nazywa si´ nanotechnologià, poczu∏ si´ tak jak
Jourdain, g∏ówny bohater Mieszczanina szlachcicem Moliera, gdy si´
dowiedzia∏, ˝e przez ca∏e ˝ycie mówi∏ prozà.

O

AUTORZE

dardowa podwójna helisa. Udaje si´ nawet budowaç urzà-
dzenia nanomechaniczne, których cz´Êci si´ poruszajà (takie
jak zaciskajàce si´ p´sety lub obracajàce wa∏ki), gdy nast´-
puje przejÊcie z jednej konformacji DNA do drugiej. Jedna
z wad takich uk∏adów polega na tym, ˝e trzeba je konstru-
owaç w roztworach wodnych. Osuszenie gotowych struktur
(np. na p∏ytce z miki) nie sprawia nam jednak k∏opotu, tak
jak wtedy gdy chcemy otrzymaç mikroskopowe obrazy wy-
ników naszych badaƒ.

Sztywne modele

PIERWSZYM ETAPEM

ka˝dego naukowego projektu badawcze-

go jest ustalenie jego wykonalnoÊci. Uda∏o si´ to zrobiç w ro-
ku 1991, gdy wraz z Junghueiem Chenem, obecnie w Uni-
versity of Delaware, zbudowaliÊmy czàsteczk´ DNA w kszta∏cie

szkieletu szeÊcianu [ilustracja poni˝ej]. Kraw´dzie szeÊcianu
sà utworzone przez odcinki podwójnej helisy DNA, a wierz-
cho∏ki – przez trójramienne rozga∏´zienia. Ka˝dy wierzcho-
∏ek po∏àczony jest z trzema innymi – mówi si´, ˝e zdolnoÊç
przy∏àczeniowa szeÊcianu wynosi trzy. In˝ynierowie gene-
tyczni stworzyli wiele liniowych konstrukcji DNA, lecz nasza
kostka jest pierwszà czàsteczkà DNA majàcà zdolnoÊç przy-
∏àczeniowà wi´kszà od dwóch. SzeÊcian montuje si´ samo-
rzutnie z odcinków DNA zaprojektowanych tak, by do siebie
przywar∏y, lecz ich koƒce pozosta∏y swobodne. Mogà je spo-
iç ligazy, dajàc szeÊç zamkni´tych p´tli, po jednej na Êcian´.
Poniewa˝ DNA jest helisà, ka˝da p´tla oplata si´ wokó∏ p´tli
do niej przylegajàcej. SzeÊcian nie mo˝e si´ zatem rozpaÊç
nawet wtedy, gdy wszystkie wiàzania mi´dzy zasadami azo-
towymi zostanà rozerwane.

Razem z Yuwenem Zhangiem, dziÊ pracownikiem Baxter

Healthcare, skonstruowa∏em obiekt w kszta∏cie szkieletu Êci´-
tego oÊmioÊcianu, podobnego nieco do szeÊcianu, lecz bar-
dziej skomplikowanego [ilustracja na stronie 38]. Chocia˝
trójramienne rozga∏´zienia wystarczy∏yby do stworzenia po-
jedynczego Êci´tego oÊmioÊcianu, zbudowaliÊmy go, u˝ywa-
jàc rozga∏´zieƒ czteroramiennych. ChcieliÊmy, by dodatko-
we ramiona wystajàce z ka˝dego wierzcho∏ka pos∏u˝y∏y do

po∏àczenia oÊmioÊcianów w wi´kszà struktur´, ale w koƒcu
nie poszliÊmy w tym kierunku. StworzyliÊmy niewielkà licz-
b´ Êci´tych oÊmioÊcianów – wystarczajàcà do opisania ich
struktury, lecz zbyt ma∏à, by podjàç prób´ ich po∏àczenia. Na-
wet ta niewielka próbka okaza∏a si´ kresem naszych mo˝liwo-
Êci. Nie osiàgn´libyÊmy wi´cej bez znacznego ulepszenia na-
szych metod badawczych (np. automatyzacji powtarzalnych
czynnoÊci). ZabraliÊmy si´ wi´c za prostsze podzespo∏y.

Kierunek badaƒ zmieniliÊmy równie˝ dlatego, ˝e nasze wie-

loÊciany nie by∏y sztywne. Samo DNA jest sztywnà czàstecz-
kà: odcinek d∏ugoÊci dwóch lub trzech skoków helisy (z ta-
kich w∏aÊnie konstruowaliÊmy kraw´dzie wieloÊcianów)
odchyla si´ od pionu nie bardziej ni˝ niç ugotowanego spaghet-
ti d∏ugoÊci 2–3 mm. To zapewnia∏o sztywnoÊç kraw´dziom
naszych wieloÊcianów, zaobserwowaliÊmy jednak niestabil-

noÊç kàtów przy wierzcho∏kach. Skonstruowane przez nas
wieloÊciany przypomina∏y budowle z wetkni´tych w ˝elki
wyka∏aczek. Takie struktury prawdopodobnie znalaz∏yby za-
stosowania, ale nie do budowy regularnych sieci. Du˝o ∏a-
twiej z∏o˝yç coÊ na kszta∏t kryszta∏u z elementów bardziej
przypominajàcych cegie∏ki ni˝ ˝elki.

Aby rozwiàzaç ten problem, moja grupa zaj´∏a si´ innym,

znanym z rekombinacji uk∏adem z rozga∏´zieniem – podwójnie
przeplecionà czàsteczkà DNA (DX – double-crossover DNA).
Czàsteczka DX sk∏ada si´ z dwóch u∏o˝onych obok siebie od-
cinków podwójnych helis, których nici krzy˝ujà si´ mi´dzy so-
bà, ∏àczàc obie helisy [ilustracja w ramce na nast´pnej stronie].
Okaza∏o si´, ˝e czàsteczka ta jest sztywna. DowiedliÊmy te˝,
˝e bardzo sztywna jest czàsteczka DX, która dodatkowo zawie-
ra jeden ma∏y fragment podwójnej helisy (nazwany DX + J). Ten

LIPIEC 2004 ÂWIAT NAUKI

43

KEN EW

ARD

BioGrafx

(z lewej

); ALICE Y

. CHEN (

z prawej

)

Skonstruowane przez nas

WIELOÂCIANY

przypomina∏y

raczej

BUDOWLE Z WYKA¸ACZEK

wetkni´tych w ˝elki.

SZTYWNY SZEÂCIAN (z prawej)
wykonany z szeÊciu p´tli DNA jest
dowodem na to, ˝e z DNA mo˝na
zbudowaç struktur´ trójwymiaro-
wà. Na rysunku szkielet ka˝dej ni-
ci reprezentujà kolorowe kule (ka˝-
dej nici przypisano inny kolor),
zasady przedstawiono jako kule bia-
∏e. Wszystkie kraw´dzie szeÊcien-
nej kostki sk∏adajà si´ z 20 par nu-
kleotydów, odpowiadajàcych mniej
wi´cej dwóm skokom podwójnej
helisy. W wierzcho∏kach kostki sà
trójramienne rozga∏´zienia. Sposób
po∏àczenia nici DNA bez uwzgl´d-
nienia skr´tów helisy przedstawia
uproszczony schemat (z lewej).

Para zasad

Szkielet DNA

krótki podwójnie helikalny odcinek tworzy wybrzuszenie na
powierzchni czàsteczki DX i s∏u˝y jako marker.

Erik Winfree z California Institute of Technology wraz z

Furongiem Liu i Lisà A. Wenzler z mojej grupy z New York
University u˝yli zestawów czàsteczek DX i DX + J jako ka-
felków do tworzenia dwuwymiarowych kryszta∏ów o zdefi-
niowanych wczeÊniej wzorach. Kafelki sà po∏àczone za po-
mocà lepkich koƒców ka˝dej z helis. W jednym z ustawieƒ, w
którym kolumny kafelków DX le˝à na przemian z kolumna-
mi DX + J, otrzymaliÊmy paski oddalone od siebie o oko∏o
32 nm. By sprawdziç, ˝e struktury majà w∏aÊciwe wymiary,
umieÊciliÊmy je na mice i zbadaliÊmy za pomocà mikroskopu
si∏ atomowych. Wytwarzajàc drugi kryszta∏, tym razem ze
zmodyfikowanych kafelków, w którym trzy kolumny DX przy-
pada∏y na jednà kolumn´ DX + J, przekonaliÊmy si´, ˝e wzór
ten nie by∏ dzie∏em przypadku. W ten sposób otrzymaliÊmy

paski rozmieszczone dwa razy rzadziej. Zespó∏ Johna H. Reifa
z Duke University zademonstrowa∏ niedawno uzyskane w po-
dobny sposób „kody kreskowe DNA”. W mozaikach tych u∏o-
˝enie pasków zosta∏o zaprogramowane tak, by przedstawia-
∏o wzór „01101” (z czàsteczkami analogicznymi do DX i
DX + J odpowiadajàcymi zerom i jedynkom). Wzór zosta∏ za-
programowany przy u˝yciu nici DNA, której sekwencja ko-
dowa∏a ciàg 01101. Odpowiedniki kafelków DX i DX + J u∏o-
˝y∏y si´ samorzutnie wzd∏u˝ odcinka nici DNA, przylegajàc do
zakodowanych na niej zer i jedynek. Nast´pnie wiele takich
pi´ciokafelkowych segmentów po∏àczy∏o si´ równolegle, two-
rzàc z pasków wzór 01101. Paski oddalone by∏y od siebie
o oko∏o 15 nm. Pod mikroskopem si∏ atomowych odczytuje
si´, korzystajàc z kodu paskowego, zakodowane na nici DNA
dane wejÊciowe. Ta wizualna metoda rozpoznawania sekwen-
cji DNA mo˝e znacznie przyÊpieszyç faz´ odczytu w oblicze-

44

ÂWIAT NAUKI LIPIEC 2004

ALICE Y

. CHEN (

ilustracje

); NADRIAN C. SEEMAN (

mikr

ofotografia

)

KRYSZTA¸Y DWUWYMIAROWE mo˝na budo-
waç ze sztywnych „kafelków” DNA (a). Sà to
modu∏y podwójnie przeplecione (DX) oraz mo-
du∏y podwójnie przeplecione ze skrzy˝owa-
niem (DX + J). Takie modu∏y, w przeciwieƒ-

stwie do wieloramiennych, nie wyginajà si´ w
punktach z∏àczeƒ. Aby kafelki mog∏y si´ ze
sobà ∏àczyç, zosta∏y wyposa˝one w zestawy
czterech ró˝nych lepkich koƒców. Wyd∏u˝ona
zielona niç czàsteczki DX + J wystaje ponad

powierzchni´. Ka˝dy z modu∏ów ma wymia-
ry oko∏o 4 na 16 nm. Dla uproszczenia DX i
DX + J zosta∏y przedstawione schematycz-
nie. Geometryczne koƒcówki symbolizujà lep-
kie koƒce (b). Gdy czàsteczki sà zanurzone

w roztworze, zlepiajà si´ i uk∏adajà samo-
rzutnie w dwuwymiarowy wzór (c). Z obra-
zu wykonanego mikroskopem si∏ atomowych
wy∏ania si´ paskowany deseƒ (d) (na po-
trzeby mikroskopii kryszta∏ zosta∏ umieszczo-
ny na p∏ytce z miki). Jasne, oddalone o oko-
∏o 32 nm paski zosta∏y utworzone przez DNA
wystajàcy z modu∏ów DX + J. Równie˝ rów-
noleg∏oboki DNA uk∏ada∏y si´ samoczynnie
w dwuwymiarowe wzory (e, f).

a

b

c

e

d

f

SZTYWNE SIECI DNA

Lepkie koƒce

Lepkie koƒce

Lepkie koƒce

Modu∏ podwójnie przepleciony

ze skrzy˝owaniem

Modu∏ podwójnie przepleciony

Lepkie koƒce

niach czàsteczkowych z wykorzystaniem DNA. Mo˝e te˝ byç
zastosowana do mapowania mutacji.

Wraz z Chengde Mao, który teraz jest zatrudniony w Pur-

due University, wykonaliÊmy dwuwymiarowe siatki z równo-
leg∏oboków DNA podobnych do naszych szkieletów wielo-
Êcianów. Dajà si´ one po∏àczyç w kryszta∏, który przypomina
wafel. WielkoÊç „oczek” tej struktury mo˝na regulowaç, zmie-
niajàc rozmiary równoleg∏oboków. Pojedyncze rozga∏´zienia
sà wiotkie, ale uk∏adajàc po cztery z nich w ka˝dym wierz-
cho∏ku równoleg∏oboku, uzyskaliÊmy dobrze sprawujàcy si´
element sieci.

Nanomaszyny

KLUCZOWE ZNACZENIE

w nanotechnologii majà nanomaszyny.

DNA okaza∏ si´ niezwykle przydatny w konstruowaniu takich

urzàdzeƒ. ZbudowaliÊmy kilka maszyn z DNA, lecz w arty-
kule skupimy si´ tylko na dwóch, które majà dobrze zdefi-
niowanà struktur´. W obu przypadkach mechanizm ich dzia-
∏ania opiera si´ na przekszta∏ceniach czàsteczek DNA
polegajàcych na zmianie z jednej konformacji (np. zwyk∏ej
podwójnej helisy) na innà.

Konwencjonalny DNA jest helisà prawoskr´tnà. Wyobraê-

my sobie, ˝e schodzimy po spiralnych schodach z prawà d∏o-
nià na por´czy wewn´trznej, a lewà na zewn´trznej. Takie scho-
dy to helisa prawoskr´tna. Zwyk∏a prawoskr´tna helisa DNA jest
okreÊlana symbolem B-DNA i jest najbardziej korzystnà ener-
getycznie strukturà w Êrodowisku wodnym.

Podwójna helisa DNA mo˝e równie˝ przyjmowaç ró˝ne in-

ne formy, zale˝nie od sekwencji zasad i od sk∏adu chemiczne-
go roztworu, w którym jest zanurzona. Jednà z nich jest
Z-DNA, opisana po raz pierwszy w 1979 roku przez Alexan-
dra Richa i jego wspó∏pracowników z Massachusetts Insti-
tute of Technology [górna ilustracja na stronie 41]. Z-DNA jest
helisà lewoskr´tnà.

By przygotowaç Z-DNA, zwykle potrzebne sà nici, w których

cytozyna wyst´puje na przemian z guaninà. Szkielet DNA za-
wiera na∏adowane ujemnie grupy fosforanowe, które w struk-
turze Z-DNA le˝à blisko siebie. Ta struktura jest faworyzo-
wana tylko wówczas, gdy ∏adunki fosforanów sà od siebie
ekranowane. Dzieje si´ tak w roztworach soli o wysokim st´˝e-
niu lub w roztworach specjalnych „efektorowych” substancji
chemicznych, takich jak heksaaminakobalt(III), Co(NH

3

)

6

+++

,

które wykonujà t´ samà robot´ przy ni˝szym st´˝eniu. Na-
przemienne u∏o˝enie cytozyny i guaniny wyznacza miejsce, w
którym w czàsteczce DNA zachodzi przejÊcie typu B–Z (a
wi´c to, co robi nasza maszyna), a czynniki Êrodowiskowe
pozwalajà ustaliç, kiedy nastàpi transformacja (a wi´c i czyn-
noÊç wykonana przez maszyn´).

Razem ze wspó∏pracownikami z New York University

– Weiqiongiem Sunem, Zhiyongiem Shenem i Mao – zbudo-
wa∏em urzàdzenie sk∏adajàce si´ z dwóch czàsteczek DX po∏à-
czonych „wa∏kiem” podwójnej helisy DNA [ilustracja obok].
Centralnà cz´Êç wa∏ka stanowi sekwencja 20 par zasad, która
w odpowiednich warunkach mo˝e uk∏adaç si´ w struktur´ ty-

pu Z. Zazwyczaj ka˝dy z elementów urzàdzenia ma postaç
B-DNA, a obie czàsteczki DX znajdujà si´ po tej samej stronie
osi wa∏ka. Kiedy do roztworu dodajemy heksaaminakobalt(III),
Êrodkowy odcinek wa∏ka przekszta∏ca si´ w Z-DNA i jedna z czà-
steczek DX obraca si´ oko∏o 3.5 razy w stosunku do drugiej
(nieparzysta po∏owa obrotu oznacza, ˝e moleku∏y DX znajdà si´
po przeciwleg∏ych stronach osi wa∏ka). Usuni´cie heksaami-
nakobaltu(III) przywraca stan poczàtkowy urzàdzenia. Ruch
uk∏adu zaobserwowaliÊmy metodami spektroskopii, do∏àczajàc
do czàsteczek DX znaczniki w dwóch kolorach.

Nasze urzàdzenie jest doÊç solidne, lecz ma pewnà u∏om-

noÊç. Gdyby wi´cej maszyn typu B-Z w∏àczyç w wi´kszà su-
perstruktur´ (np. w jednà z omawianych wczeÊniej dwu-
wymiarowych sieci krystalicznych), ca∏y uk∏ad móg∏by
przyjmowaç tylko dwa stany: wszystkie maszyny jednocze-

Ênie znajdowa∏yby si´ w stanie B lub Z. Indywidualna kontro-
la urzàdzeƒ wymaga zastosowania elementów z niezale˝ny-
mi mechanizmami wyzwalajàcymi. W przypadku DNA istnieje
oczywiÊcie naturalne rozwiàzanie tego problemu: jako wy-
zwalaczy poszczególnych urzàdzeƒ mo˝na u˝yç nici DNA o
ró˝nych sekwencjach zasad.

By zrealizowaç taki plan, Hao Yan, dziÊ pracownik Duke

University, Xiaoping Zhang z New York University, Shen oraz
ja obmyÊliliÊmy uk∏ad, który zmienia kszta∏t, gdy przy∏àcza-
jà si´ doƒ ró˝ne nici. Sk∏ada si´ on z dwóch równoleg∏ych
podwójnych helis DNA, które na Êrodkowym odcinku sà zre-
dukowane do pojedynczych, krzy˝ujàcych si´ nici. Odcinek ten
mo˝e przybieraç dwa stany, w zale˝noÊci od tego, jakie nici –
wià˝àce si´ z odcinkami jednoniciowymi urzàdzenia – zo-
stanà dodane do roztworu [ramka na nast´pnej stronie]. Dwa
stany urzàdzenia okreÊlane sà symbolami PX (paranemic

LIPIEC 2004 ÂWIAT NAUKI

45

KEN EW

ARD

BioGrafx

NAJWA˚NIEJSZYM CELEM

nanotechnologii opartej

na DNA jest

PRZEJÂCIE Z DWÓCH WYMIARÓW DO TRZECH

.

NANOMECHANIZM TYPU B-Z sk∏ada si´ z dwóch czàsteczek DX (niebie-
ski i pomaraƒczowy) po∏àczonych „wa∏kiem” z 20 par zasad (fioletowy).
Dwie kolorowe czàsteczki barwnika (srebrna i z∏ota kula) pokazujà po∏o-
˝enie moleku∏ DX. W stanie B (na górze) wa∏ek jest zwyczajnym prawo-
skr´tnym B-DNA, a dwie czàsteczki DX znajdujà si´ po tej samej stronie
osi urzàdzenia. Kiedy do roztworu dodany zostaje heksaaminakobalt(III),
wa∏ek ulega konwersji do lewoskr´tnego Z-DNA (ilustracja na stronie 41
na górze) i modu∏y DX wykonujà wzgl´dem siebie 3.5 obrotu.

Czàsteczka barwnika

Z-DNA

B-DNA

Heksaaminakobalt(III)

dodany

Heksaaminakobalt(III)

usuni´ty

crossover – z∏àcze splecione) i JX (juxtaposed crossover – z∏à-
cze równoleg∏e). Kiedy urzàdzenie znajduje si´ w stanie PX,
dwie helisy po jednej stronie centralnego skrzy˝owania sà
przekr´cone o pó∏ obrotu w stosunku do swojego po∏o˝enia w
stanie JX.

Dodanie do roztworu specjalnej pary nici (zwanych niçmi

konfiguracyjnymi) przeprowadza urzàdzenie w stan JX – ni-
ci te wià˝à si´ ze Êrodkowà cz´Êcià urzàdzenia, nie krzy˝ujàc
si´. Aby prze∏àczyç uk∏ad w stan PX, musimy najpierw usunàç
nici konfiguracyjne. W roku 2000 Bernard Yurke i jego wspó∏-
pracownicy z Lucent Technologies wykazali, ˝e z DNA mo˝-
na usunàç fragment nici za pomocà nici do nich komplemen-
tarnych. Procedur´ t´ zrealizowaliÊmy, wyposa˝ajàc nasze
nici konfiguracyjne w krótkie lepkie koƒce, które nie parujà
si´ z nanourzàdzeniem. Gdy do roztworu dodamy nici kom-
plementarne do nici konfiguracyjnych, po∏àczà si´ one z nie-

sparowanymi przed∏u˝eniami, a nast´pnie „zedrà” reszt´ ni-
ci z mechanizmu.

Kiedy pierwsze nici konfiguracyjne zostajà usuni´te z urzà-

dzenia, mo˝emy dodaç inne nici, które tym razem po∏àczà
si´ krzy˝owo z jego Êrodkowà, jednoniciowà cz´Êcià. Wiàza-
nie to obraca dwiema podwójnymi helisami, prze∏àczajàc
urzàdzenie w stan PX. Proces mo˝na odwróciç przez usuni´-
cie tej drugiej pary nici konfiguracyjnych i dodanie pierw-
szej. W ten sposób podwójne helisy sà obracane w t´ i z po-
wrotem na zawo∏anie. Ró˝ne urzàdzenia typu PX-JX mogà
wi´c byç sterowane niezale˝nie przez dodawanie i usuwanie
nici konfiguracyjnych zaprojektowanych z myÊlà o obsza-
rach, z którymi majà si´ wiàzaç.

Ruchy naszych konstrukcji zaobserwowaliÊmy pod mikro-

skopem si∏ atomowych. Urzàdzenia zestawiliÊmy w d∏ugie
∏aƒcuchy, a do boku ka˝dego z nich do∏àczyliÊmy modu∏ DNA

46

ÂWIAT NAUKI LIPIEC 2004

ALICE Y

. CHEN (

ilustracja

); NADRIAN C. SEEMAN (

mikr

ofotografia

)

PRZE¸ÑCZNIK Z DNA

INDYWIDUALNIE KONTROLOWANE urzàdzenie DNA mo˝na prze∏à-
czaç mi´dzy dwoma stanami (a, 1–8) przez dodawanie lub usuwanie
odcinków DNA zwanych niçmi konfiguracyjnymi. Gotowe do dzia∏ania
urzàdzenie sk∏ada si´ z czterech podwójnych helis po∏àczonych dwie-
ma niesparowanymi niçmi DNA (1). Gdy dodamy do uk∏adu nici kon-
figuracyjne (jasnoniebieski) (2), zwià˝à si´ one z niçmi niesparowa-
nymi, wymuszajàc przejÊcie urzàdzenia w stan „podwójnie równoleg∏y”
(JX – doubly juxtaposed) (3). W tym stanie górne i dolne helisy zazna-

czone na rysunku na czerwono znajdujà si´ po lewej stronie, a heli-
sy zielone – po prawej. Do usuni´cia nici konfiguracyjnych (jasnonie-
bieski) s∏u˝à nici do nich komplementarne (ciemnoniebieski) (4). Ta-
ki uk∏ad ponownie jest w stanie gotowoÊci (5). Teraz dodane zostajà
drugie nici konfiguracyjne (fioletowy) (6), które w inny sposób wià˝à
si´ z odcinkami jednoniciowymi, ustawiajàc urzàdzenie w konfigura-
cji (7) zwanej z∏àczem splecionym (PX – paranemic crossover). Wów-
czas dolna cz´Êç urzàdzenia obraca si´, a dolne czerwone i zielone he-
lisy zamieniajà si´ miejscami. Usuni´cie drugich nici konfiguracyjnych
(fioletowy) z maszyny zamyka jej cykl pracy (8).

By przetestowaç dzia∏anie prze∏àcznika, zestawiono jego kopie w

∏aƒcuch i do∏àczono markery w kszta∏cie du˝ych trapezoidalnych frag-
mentów DNA. Kiedy wszystkie urzàdzenia w ∏aƒcuchu znajdowa∏y
si´ w stanie PX (b), wszystkie trapezy u∏o˝y∏y si´ po tej samej stronie
osi ∏aƒcucha. Gdy wszystkie urzàdzenia sà w stanie JX (c), co drugi
trapez zmienia po∏o˝enie. Obrazy wykonane mikroskopem si∏ atomo-
wych potwierdzajà ten schemat dzia∏ania (d, e).

d

b

a

1

2

PX

Nici konfiguracyjne

Stan JX

Stan PX

Nici
komplementarne

JX

JX

JX

PX

PX

3

4

5

6

7

8

c

e

w kszta∏cie trapezu. Kiedy wszystkie urzàdzenia by∏y w sta-
nie PX, trapezy uk∏ada∏y si´ po jednej stronie ∏aƒcucha. Gdy
wszystkie by∏y w stanie JX, co drugi trapez zmienia∏ po∏o˝e-
nie, tworzàc zygzakowaty wzór.

W roku 2000 Yurke i jego wspó∏pracownicy zademonstro-

wali nanometrowej wielkoÊci p´sety wykonane z trzech nici
DNA. Nici konfiguracyjne, które Yurke nazywa niçmi nap´-
dzajàcymi, otwiera∏y i zamyka∏y p´set´. Inni naukowcy podob-
ne metody stosowali do aktywowania rybozymów – enzymów
RNA. W 1998 roku Michael P. Robinson i Andrew D. Elling-
ton z University of Texas w Austin pokazali, jak wzmocniç
aktywnoÊç rybozymów 10 tys. razy. Dodawana przez nich od-
powiednia niç konfiguracyjna wiàza∏a si´ z rybozymem, zmie-
niajàc jego konformacj´.

Chemiczne linie monta˝owe

W NANOTECHNOLOGII OPARTEJ NA DNA

najistotniejsze teraz jest

uzyskanie w trzech wymiarach tego, co uda∏o si´ zrobiç w
dwóch. Gdy si´ to uda, nab´dziemy umiej´tnoÊci projekto-
wania tworzyw krystalicznych przez definiowanie sekwencji
odcinków DNA, a nast´pnie ∏àczenie ich w ca∏oÊç. JeÊli uk∏a-
dy te b´dà dostatecznie uporzàdkowane, wykonalne stanà si´
wspomniane wy˝ej doÊwiadczenia krystalograficzne z czà-
steczkami usadowionymi w regularnej sieci.

Innym zamierzeniem jest w∏àczenie urzàdzeƒ zbudowa-

nych z DNA w ramy wi´kszych struktur roboczych. B´dzie
to pierwszy krok w kierunku nanorobotyki, która pozwoli na
zbudowanie chemicznych linii monta˝owych. Stosujàc urzà-
dzenia podobne do opisanych w artykule, nowe tworzywa
mo˝na by∏oby montowaç z du˝à precyzjà. Wspólnie z Jame-
sem W. Canary’m i Philipem S. Lukemanem z New York Uni-
versity oraz Lei Zhu, który obecnie pracuje w University of
Texas w Austin, niedawno zamontowa∏em na szkielecie z kwa-
su nukleinowego ma∏y p∏atek nylonu. Spodziewamy si´, ˝e
pewnego dnia b´dziemy w stanie produkowaç nowe polime-
ry o konkretnych w∏aÊciwoÊciach i topologiach (np. krzywi-
znach szkieletów).

Zrealizowanie tych planów wià˝e si´ z u˝yciem DNA jako

programowalnej cz´Êci, ale ani krystalografia, ani nanoelek-
tronika nie mo˝e polegaç wy∏àcznie na DNA. Na przyk∏ad
elementy nanoelektroniczne, takie jak nanoczàstki metalicz-
ne lub w´glowe nanorurki, b´dà musia∏y byç spajane z czà-
steczkami DNA w uk∏adach i roztworach wodnych kompa-
tybilnymi zarówno z DNA, jak i innymi sk∏adnikami. Ze
wzgl´du na ró˝norodnoÊç tych moleku∏ ten cel nie∏atwo osià-
gnàç. W dodatku nawet jeÊli elementy nanoelektroniczne po-
wstawa∏yby przy udziale samoorganizujàcego si´ DNA, na-
nourzàdzenia ostatecznie muszà wchodziç w interakcje ze
Êwiatem makroskopowym metodami du˝o bardziej wyrafi-
nowanymi ni˝ przez dodawanie i ujmowanie nici z roztworu.
Realizacja tych planów jest ogromnym wyzwaniem.

Nanotechnologiczna maszyna przysz∏oÊci umie si´ powielaç.

Jednak w przeciwieƒstwie do liniowego rozga∏´ziony DNA
nie najlepiej nadaje si´ do autoreplikacji. Mimo to William M.
Shih, Joel D. Quispe i Gerald F. Joyce ze Scripps Research In-
stitute w La Jolla w Kalifornii mogà poszczyciç si´ pierwszy-
mi, fascynujàcymi osiàgni´ciami w dziedzinie samopowiela-
jàcych si´ obiektów DNA. Z jednej d∏ugiej nici (oko∏o 1700
zasad) zbudowali szkielet oÊmioÊcianu, wykaƒczajàc konstruk-
cj´ pi´cioma krótkimi niçmi „pomocniczymi” [ilustracja po-

wy˝ej]. Ka˝da z kraw´dzi oÊmioÊcianu wykonana jest z dwóch
splecionych podwójnych helis DNA – ∏aƒcucha czàsteczek ty-
pu DX oraz PX. Kraw´dzie majà d∏ugoÊç oko∏o 14 nm, która
odpowiada mniej wi´cej czterem skokom podwójnej helisy.
Gotowy oÊmioÊcian nie mo˝e si´ reprodukowaç, ale w stanie
niez∏o˝onym mo˝e byç klonowany w milionach egzemplarzy.
D∏uga niç bez trudu daje si´ bowiem kopiowaç standardowà
metodà zwanà ∏aƒcuchowà reakcjà polimerazy (PCR – poly-
merase chain reaction). Proces ten jest dalece mniej efektyw-
ny ni˝ replikacja, która zachodzi w ka˝dym ˝ywym orga-
nizmie, ale do czasu setnej rocznicy odkrycia Watsona i Cricka
powinniÊmy ju˝ otrzymaç maszyny DNA, które nie b´dà pod
tym wzgl´dem ust´powaç naturze.

n

LIPIEC 2004 ÂWIAT NAUKI

47

MIKE PIQUE

Scripps R

esear

ch Institute

OÂMIOÂCIAN Z DNA powsta∏ z jednej d∏ugiej nici DNA i pi´ciu krótkich
nici pomocniczych. Ka˝da kraw´dê sk∏ada si´ z dwóch równoleg∏ych,
splecionych ze sobà podwójnych helis. Dane, na których podstawie wy-
generowano ilustracj´, pochodzà z wykonanych mikroskopem elektrono-
wym obrazów ponad 600 oÊmioÊcianów. Skala kolorów odpowiada
wzgl´dnemu zag´szczeniu elektronów (czerwony to zag´szczenie wy-
sokie, niebieski – niskie).

A 1.7-Kilobase Single-Stranded DNA That Folds into a Nanoscale

Octahedron. William M. Shih, Joel D. Quispe i Gerald F. Joyce;
Nature, tom 427, s. 618-621; 12 II 2004.

DNA as an Engineering Material. Andrew Turberfield; Physics World,

tom 16, nr 3, s. 43-46; III/2003.

DNA in a Material World. Nadrian C. Seeman; Nature, tom 421,

s. 427-431; 23 I 2003.

A Robust DNA Mechanical Device Controlled by Hybridization Topology.

Hao Yan, Xiaoping Zhang, Zhiyong Shen i Nadrian C. Seeman; Nature,
tom 415, s. 62-65; 3 I 2002.

Logical Computation Using Algorithmic Self-Assembly of DNA Triple

Crossover Molecules. Chengde Mao, Thomas H. LaBean, John H. Reif
i Nadrian C. Seeman; Nature, tom 407, s. 493-496; 28 IX 2000.
(Erratum: Nature, tom 408, s. 750; 7 XII 2000.)

A DNA-Fuelled Molecular Machine Made of DNA. Bernard Yurke, Andrew

J. Turberfield, Allen P. Mills, jr., Friedrich C. Simmel i Jennifer L. Neumann;
Nature, tom 406, s. 605-608; 10 VIII 2000.

Strona laboratorium Nadriana C. Seemana:

http://seemanlab4.chem.nyu.edu/

JEÂLI CHCESZ WIEDZIEå WI¢CEJ