Khoa học tự nhiên

Cấu trúc nano tự sao chép được làm từ ADN (02/07/2015)

Từ lâu các nhà khoa học đã đặt ra câu hỏi liệu có thể tạo ra các vật liệu nano tự sao chép không và mới đây các nhà khoa học từ Đại học Sungkyunkwan và Đại học Tohoku đã chỉ ra rằng điều này là có thể nếu chúng ta bắt chước các khối kiến thiết của tự nhiên.  

Các đối tượng sao chép. Ảnh: Junghoon Kim, Nature Nanotechnology.

ADN là một phân tử tự sao chép, trong đó các bộ phận cấu thành của nó - các nucleotide, có các tương tác hóa học riêng biệt cho phép thiết kế các cấu trúc tự lắp ráp. Trong các hệ thống sinh học, ADN sao chép với sự trợ giúp của các protein, tuy nhiên, Kim Junghoon và nhóm nghiên cứu đã thiết kế một hệ thống tự sao chép có thể kiểm soát mà không cần đến các protein. Nghiên cứu của họ được xuất bản trên tạp chí Nature Nanotechnology.
Để hiểu quá trình tự sao chép này hoạt động như thế nào, điều quan trọng là phải nắm được các bộ phận cấu thành của chúng. Kim và các cộng sự đã thiết kế hai mô-típ T ADN, r1 và r2, là ADN sợi đôi được tạo thành từ các miền chức năng, được dán nhãn alpha và beta, và các đầu “dính” là các điểm kết nối. Nhóm nghiên cứu cũng thiết kế một mô-típ mở rộng. Mười hai mô-tip r1 tự lắp ráp thành một vòng nhỏ, R1, mười hai mô-tip r2 và mười hai mô-tip mở rộng tự lắp ráp thành một vòng lớn hơn, R2.

Những vòng này có thể ở hai trạng thái khác nhau, “thụ tinh” hoặc “không được thụ tinh”. Các cấu trúc thụ tinh có các tính năng cần thiết cho sự sao chép. Sự thụ tinh xảy ra khi một miền alpha hoặc beta sợi đơn của một mô-tip r1 hoặc r2 bám vào một sợi có một miền alpha hoặc beta bổ sung. Việc này tạo ra một chỗ lồi ra sợi đơn, hay miếng bám (toehold), kéo dài từ vòng này hay từ mô-tip ban đầu. Các miếng bám này chỉ ra rằng vòng hay mô-tip này được thụ tinh.
Những miếng bám này kéo dài từ vòng ADN bám vào các sợi xâm lấn bổ sung. Khi điều này xảy ra, cấu trúc lai ghép bao gồm miếng bám và sợi xâm lấn phã vỡ vòng đầu tiên và cuối cùng, khi những mảnh này vỡ ra do sự di cư của nhánh, chúng tự lắp ráp thành một vòng khác.
Quá trình này tiếp tục thông qua hai quá trình sao chép khác nhau. Một quá trình phát triển theo cấp số nhân. Quá trình còn lại phát triển theo dãy Fibonacci. Quá trình đặc biệt này diễn ra phụ thuộc vào sợi xâm lấn nào được bổ sung thêm vào hệ thống.

Các tác giả chứng minh các quần thể vòng ADN phát triển thông qua quá trình dựa vào miếng bám bằng các nghiên cứu sử dụng kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) và các nghiên cứu về khả năng hút. Với các nghiên cứu sử dụng AFM, họ lấy một mẫu nhỏ từ mỗi giai đoạn và xác định số lượng trung bình của các vòng có mặt trong giai đoạn đó. Dữ liệu về khả năng hút đã được điều chỉnh để xác định nồng độ tương đối của các vòng ở mỗi giai đoạn.
Các nhà nghiên cứu cũng xác nhận rằng các vòng mới sinh ra là kết quả của việc ủ các miếng bám giải đơn từ vòng đầu tiên chứ không phải là kết quả của sự tự lắp ráp của các mô-tip ADN còn lại trong dung dịch bằng cách sử dụng hiện tượng điện chuyển gel và chiết xuất các sản phẩm ADN từ mỗi giai đoạn. Mỗi giai đoạn đã được nghiên cứu với AFM và các sợi xâm lấn đã được bổ sung vào một dung dịch trong từng giai đoạn để xem liệu các vòng có được hình thành hay không.

Kim và các cộng sự đã chứng minh rằng sự tự sao chép ở kích thước nano có thể xảy ra bằng cách sử dụng các tính chất nhiệt động của việc thay thế dải dựa vào miếng bám và các khả năng tự lắp ráp của các mô-tip ADN. Trong nghiên cứu này, mô-tip T ADN tổng hợp tự lắp ráp thành các cấu trúc cho phép các phản ứng liên tục diễn ra. Nghiên cứu này chứng tỏ khả năng của các cấu trúc nanno tự sao chép có thể lập trình chức năng.

Nguồn: vista.vn (Theo Phys.org)