DNA: poklad pro nanoinženýry

Fráze „kdybychom ji neměli, museli bychom si ji vymyslet,“ působí sice v případě DNA dost podivně, ale je to tak, přinejmenším v dramaticky se rozvíjejícím a nanejvýš pozoruhodném nanoinženýrství. Naštěstí DNA máme, a tak ji nanoinženýři vymýšlet nemusejí. Vlastně úplně postačí, když každé ráno v laboratoři obětují nějakou drobnost slepým a bezduchým silám evoluce, které mají dar z naprosto nanicovatých věcí postupně vytvořit úžasně užitečné vychytávky. A DNA je jednou z nich, takže, evoluce, díky!

Proč tolik komplimentů? Ještě tak natřít kousky téhle zázračné nukleové kyseliny jásavými barvami a dostanete nefalšované molekulární LEGO, které bezostyšně šlape na paty svému legendárnímu vzoru ve světě hraček. Molekulární inženýři také podle všeho velmi ctí slogan tvůrce původního tvůrce LEGO, dánského tesaře Christiansena „Leg godt!“ (česky „Hraj si dobře!“). S molekulárními kostičkami v podobě kousků řetězců DNA si dobře vskutku hrají, a to stále intenzivněji. Už jsme se dočkali celé řady zajímavých nanoinženýrských projektů, které využívají pozoruhodné konstrukční vlastnosti dílků nanostavebnice DNA, a to jsme nejspíš ještě na úplném začátku.

V živém světě je už DNA inženýrství vcelku všední. Umíme leccos provést přímo s genomem organismů, nejnověji například vyrobit kompletní a funkční umělý chromozom kvasinky. Vědci si chromozom synIII nejprve navrhli na počítači tak, že pozměnili původní chromozóm III slavné pivní kvasinky Saccharomyces cerevisiae a pak si ho nasyntetizovali a vložili do genomu kvasinky. Prý jim funguje skvěle. Se stavebnicí DNA se ale dá odvázat mnohem víc, i mimo přívětivé buňky.¹⁾

DNA origami

Nanotechnologii skládání dvou- a trojrozměrných tvarů se vlastně od roku 2006 přezdívá DNA origami. Paul Rothemund z Caltechu tehdy vyvinul metodu skládání dlouhého řetězce virové DNA do roztodivných tvarů s pomocí kratších kousků DNA. Je to vlastně jen pár let, ale z původně rázovitého biotechnologického umění, které zahrnovalo nanosmajlíky a nanomapky Číny, už srší nejrůznější aplikace, jedna pozoruhodnější než druhá. Existuje už i speciální CAD software, ve kterém si lze požadovaný objekt DNA origami navrhnout, a pak si potřebné sekvence nasyntetizovat a složit.

Ukázka objektů sestavených z molekul DNASnímek Paul W. K. Rothemund, Nature, 2006.

Na Wyssově institutu pro biologicky inspirované inženýrství na Harvardu nedávno postavili DNA nanoroboty, kteří se mohou sami složit a také sami sebe zničit, když dopraví léčivo na místo určení, dejme tomu k nějaké odporné rakovinné buňce. Před pár dny vyzkoušeli docela důvtipné nanoroboty v živých švábech. Vědci do nich vpíchli různé koktejly nanorobotů s fluorescenčními značkami, a pak sledovali, co se bude dít. DNA nanoboti se dostali dovnitř a putovali tělními tekutinami švábů až na místo určení, kde uvolnili svůj náklad. Žhavou novinku jsou ve Wyssově institutu DNA origami nanostrojky s aktivním maskováním, které se dovedou vyhnout nepřátelsky naladěné imunitní obraně (abstrakt). Vývojáři se přitom inspirovali triky, které používají zlovolné viry, aby se vloudily do hostitelských buněk.

Vlevo virus maskující se vrstvičkou lipidů před imunitním systémem. Vpravo nanorobot sestrojený z DNA, který používá stejnou metodu v organismu laboratorní myši. Snímek Steven Perrault/Harvard’s Wyss Institute.

Podobné nanostrojky pro transport léčiv, skládané jako DNA origami, vyvinuli ve spolupráci pekingské Národní centrum pro nanovědy a technologie s Arizonskou státní univerzitou. Jejich nanostrojky vozí antracyklinové antibiotikum doxorubicin, které bývá běžnou součástí protinádorových chemoterapií. Jeho užívání provázejí nepříjemné vedlejší účinky chemoterapií, jako je vypadávání vlasů, zvracení, průjem a někdy i horší věci. DNA nanostrojky dovedou naložit docela obstojný náklad molekul doxorubicinu a dopravit ho bez větších problémů k nádorovým buňkám. Navíc se zdá, že takto doručený doxorubicin likviduje i buňky, které jsou jinak vůči této látce odolné.

Dánové z Mezioborového centra nanověd iNANO Aarhuské univerzity a z Centra pro DNA Nanotechnologie Dánské národní vědecké nadace zase nedávno z DNA origami vytvořili praktické nanoboxy, jakési klícky o rozměrech pár desítek milimetrů, které lze opakovaně otevírat a zavírat s pomocí speciálních DNA klíčů. Z DNA origami se dají postavit i rafinované nástroje pro práci se živými buňkami. Friedrich Simmel z Technické univerzity Mnichov (TUM) a jeho kolegové ze stavebnice DNA origami zkonstruovali umělý iontový kanál, který prochází skrz buněčnou membránu. Ten by bylo možné využít v chirurgicky přesném dávkování léčiv do buněk nebo třeba při vývoji biosenzorů.

Umělý iontový kanál vytvořený technologií DNA origami. Snímek Technische Universität München.

Badatelé z amerického Národního institutu standardů a technologie (NIST) pro změnu použili dílky DNA origami ke skládání kvantových teček a nanočástic zlata. S pomocí DNA konstrukce přitom regulovali fluorescenci kvantových teček, které se teď mohou stát základem lepších fotodetektorů, chemických senzorů nebo třeba šikovných nanolaserů. Podobně fungují nanoantény z Technische universität Braounschweig (Brunšvik). Místní nanoinženýři postavili DNA origami antény, které s pomocí dvou nanočástic zlata na proteinovém pilíři, vzdálených od sebe 23 nanometrů, zesilují fluorescenční signály ve velmi nepatrných objemech.

Stavebnice i skladiště

Miniaturizace křemíkové elektroniky se nezadržitelně blíží ke své fyzikální hranici, a tak je nejvyšší čas pátrat po nových a dostatečně převratných materiálech. DNA origami tudíž budou nejspíš velice užitečné i v nanoelektronice. Věří tomu Adrian Keller z Institutu fyziky svazků iontů a výzkum materiálů v  Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, když s kolegy právě DNA origami použili jako nový materiál k sestavení fungujících elektrických obvodů. K technologii DNA origami přidali ještě samoorganizování krátkých řetězců DNA a jejich spojením vytvořili molekulární lešení pro výrobu nanodrátků. Vůbec v konstrukci nejrůznějších důvtipných nanosenzorů se zatím uplatnění DNA origami rýsuje velice slibně.

DNA v elektronice nemusí být jenom origami. Tým Zhenan Bao ze Stanfordu se snaží nahradit křemík v elektronice dnes nesmírně populárním grafenem. Grafen je z atomů uhlíku uspořádaných jako plocha šestiúhelníků a jeho elektrické vlastnosti jsou vpravdě bizarní. Mimo jiné se může za určitých okolností chovat jako polovodič, takže z něj lze vyrobit tranzistor. Pro grafenový tranzistor jsou ale nutné proužky grafenu o šířce pár desítek atomů uhlíku a ty není úplně snadné získat. Bao a spol. je vyrábějí s pomocí DNA šablon, které jsou pro tenhle účel jako dělané.

Nick Goldman, jeden z autorů metody umožňující zápis digitálních dat do DNA, pózuje s molekulárním vydáním Shakespearových sonetů.Snímek European Molecular Biology Laboratory

Přitažlivost deoxyribonukleové kyseliny není jenom v samotné konstrukci. Je to sice luxusní a velice inspirativní stavebnice, její hlavní účel ale spočívá v relativně bezpečném uskladnění ohromného množství informace. A toho by byl pochopitelně hřích nevyužít. Je to úplně jednoduché, stačí do DNA zakódovat digitální nuly a jedničky. Zatím nejlíp si v tom s kolegy vedl Ewan Birney z Evropského institutu bioinformatiky (EBI) se sídlem v britském Hinxtonu. Povedlo se jim zapsat do DNA celkem 739 kB počítačových souborů, které obsahovaly všech 154 Shakespearových sonetů, zvukový záznam slavného projevu Martina Luthera Kinga „I Have a Dream“, legendární článek Jamese Watsona a Francise Cricka o objevu struktury DNA, fotografii sídla EBI v Hinxtonu a pak také popis metod, které při zápisu informace do DNA použili.²⁾

Snímek budovy EBI, který Birney s kolegy uložili do molekul DNA. Snímek Nick Goldman.

Birney a spol. DNA s uloženými daty kompletně syntetizovali, a pak zase přečetli a ze sekvence rekonstruovali původní data, prakticky se stoprocentní přesností. DNA se jim osvědčila jako velmi spolehlivé médium pro uložení dat s extrémně hustým zápisem, které navíc, jak se zdá, ve vhodných podmínkách, čili v chladu, suchu a temnu, vydrží přinejmenším desítky tisíc let. Problém je jen v tom, že jak zápis, tak i čtení dat v DNA není zrovna nejrychlejší. Nicméně, můžeme si docela slušně představit použití DNA datových úložišť pro případ apokalypsy. Pokud by naše civilizace zmizela ve víru globální katastrofy, ale někdo by to přežil a lidé pak měli potřebu dozvědět se moudra naší doby, mohli by si do takového úložiště zajít a přečíst si tam DNA.

Ať už budeme mít apokalyptické sklady DNA dat, anebo ne, nanoinženýři už teď molekulu deoxyribonukleové kyseliny bezmezně milují. Zatím nemáme tušení, jak vypadá život na jiných obyvatelných planetách. Astrochemici se ale nechali slyšet, že pokud nějaký takový život existuje, tak je docela dobře možné, že rovněž velmi podobným způsobem využívá DNA. Pro pozemské nanoinženýry by to bylo jistě příjemné potvrzení kvalit jejich oblíbené hračky. Do té doby můžeme rozvíjet DNA nanoprůmysl alespoň u nás doma, na Zemi.