Двойная спираль ДНК состоит из двух молекул ДНК, последовательности которых комплементарны друг другу. Стабильность дуплекса можно точно настроить в лаборатории, контролируя количество и расположение несовершенных комплементарных последовательностей.
Флуоресцентные маркеры, связанные с одной из совпадающих цепей ДНК, делают дуплекс видимым, а интенсивность флуоресценции увеличивается с увеличением стабильности дуплекса. Теперь исследователям из Венского университета удалось создать флуоресцентные дуплексы, которые могут генерировать любой из 16 миллионов цветов — работа, которая превосходит предыдущее ограничение в 256 цветов.
Эту очень большую палитру можно использовать для «рисования» ДНК и для точного воспроизведения любого цифрового изображения на миниатюрной 2D-поверхности с 24-битной глубиной цвета. Это исследование было опубликовано в Журнале Американского химического общества.
Уникальная способность комплементарных последовательностей ДНК распознавать и образовывать дуплексы представляет собой биохимический механизм считывания и копирования генов. Правила формирования дуплексов (также называемые гибридизацией) просты и неизменны, что делает их предсказуемыми и программируемыми.
Программирование гибридизации ДНК позволяет собирать синтетические гены и строить крупномасштабные наноструктуры. Этот процесс всегда опирается на идеальную комплементарность последовательностей. Нестабильность программирования значительно расширяет наши возможности манипулировать молекулярной структурой и находит применение в области терапии ДНК и РНК.
В этом новом исследовании исследователи из Института неорганической химии Венского университета показали, что контролируемая гибридизация может привести к созданию 16 миллионов цветов и точно воспроизвести любое цифровое изображение в формате ДНК.
Холст размером с ноготь
Для создания цвета различные небольшие нити ДНК, связанные с флуоресцентными молекулами (маркерами), которые могут излучать красный, зеленый или синий цвет, гибридизуются с длинной комплементарной цепью ДНК на поверхности. Чтобы изменить интенсивность каждого цвета, стабильность дуплекса снижается путем осторожного удаления оснований цепи ДНК в заранее определенных положениях последовательности.
При более низкой стабильности получается более темный оттенок цвета, а точная настройка этой стабильности приводит к созданию 256 оттенков для всех цветовых каналов. Все оттенки можно смешивать и сочетать в одном дуплексе ДНК, создавая таким образом 16 миллионов комбинаций, соответствующих цветовой сложности современных цифровых изображений. Чтобы достичь такого уровня точности преобразования ДНК в цвет, пришлось синтезировать > 45 000 уникальных последовательностей ДНК.
Для этого исследовательская группа использовала метод параллельного синтеза ДНК, называемый синтезом без маски (MAS). С помощью MAS можно синтезировать сотни тысяч уникальных последовательностей ДНК одновременно и на одной и той же поверхности — миниатюрном прямоугольнике размером с ноготь.
Поскольку этот подход позволяет экспериментатору контролировать расположение любой последовательности ДНК на этой поверхности, соответствующий цвет также может быть выборочно присвоен выбранному месту. Автоматизировав процесс с помощью специальных компьютерных сценариев, авторы смогли преобразовать любое цифровое изображение в фотокопию ДНК с точной цветопередачей. «По сути, наша поверхность синтеза становится холстом для рисования молекулами ДНК в микрометровом масштабе», — говорит Джори Лиетард, научный сотрудник Института неорганической химии.
Разрешение в настоящее время ограничено XGA, но процесс воспроизведения применим к разрешению изображения 1080p, а также, возможно, к разрешению 4K . «Помимо визуализации, цветовой код ДНК может иметь очень полезные применения при хранении данных на ДНК», — говорит Тадия Кекич, доктор философии. кандидат в группу Джори Лиетарда. Как свидетельствует Нобелевская премия 2023 года, приписанная развитию квантовых точек, у химии цвета впереди блестящее будущее.
