Počítačové modelování nanostruktur DNA a RNA

Molekuly DNA a RNA jsou známé jako základní molekuly života, jejich syntetizovaná vlákna však lze využít i k tvorbě nanostruktur. Nanotechnologie DNA a RNA, která se začala rozvíjet před čtyřiceti lety, má využití například v aplikaci léčiv (nanoroboti DNA, kteří dokážou doručit svůj náklad do buněk), v diagnostice (detekce virů) nebo v konstrukci nanoobvodů. Nejčastěji používané nanostruktury DNA se skládají z jednoho vlákna dlouhého 6400 bází a z několika desítek uměle vyrobených kratších vláken, která jsou komplementární k jednotlivým segmentům na dlouhém vlákně. Pečlivým výběrem vláken lze vytvořit řadu různých tvarů.

Počítačové modelování je součástí chemie už dlouho, nanotechnologie DNA však pro simulace představuje mimořádně těžkou úlohu. Jeden z problémů je velikost: 12 800 bází na jednu nanostrukturu. Tradiční metody, které simulují jednotlivé atomy, si obvykle dokážou poradit s pár desítkami bází. Posledních deset let s kolegy vyvíjíme zjednodušený model pro simulace DNA a RNA, který místo jednotlivých atomů simuluje celou skupinu atomů najednou. Toto zjednodušení umožňuje simulovat systémy o velikosti až dvou milionů nukleových bází. Model lze použít k testování návrhů nanostruktur a zjistit, zda vypadají a chovají se tak, jak jejich autor zamýšlel. Během pár dnů simulace je možné zjistit to, co by v laboratoři trvalo několik týdnů, vyžadovalo nákup vláken DNA a použití drahých přístrojů, jako je mikroskop atomárních sil.

Nedávno jsme vyvinuli nový program pro design nanostruktur a automatické vyhodnocení simulací. Pro využití nevyžaduje předchozí znalosti výpočetních metod a zahrnuje interaktivní vizualizaci a analýzu přímo ve webovém prohlížeči, včetně podpory virtuální reality a 3D tisku. Software tak umožní experimentátorům, kteří chtějí vytvořit nové nanostruktury DNA, výpočetně ověřit jejich chování a interaktivně upřesnit jejich design, dokud simulace nepotvrdí zamýšlený tvar nebo funkci. Program je volně dostupný a je popsán v nedávno publikovaném článku v Nucleic Acids Research.
 

Ve spolupráci s Czexpats in Science

Ve spolupráci s Czexpats in Science (czexpats.org)

Simulovaná nanostruktura DNA.Ilustrace Petr Šulc et al., The Biodesign Institute, ASU

Poppleton E. et al.: Nucleic Acids Res., 2020, DOI: 10.1093/nar/gkaa417