Molekulski vozli

Ljudje poznamo in uporabljamo vozle od pradavnine. Zavezovati se jim naučimo že v otroštvu, uporabljamo pa jih za marsikaj, od privezovanja ladij do izdelave tkanin in drugih uporabnih ali umetniških izdelkov. Čisto vsak vozel je mogoče zavezati le z natančno določenim vrstnim redom križanja koncev vrvice. Skratka, pomemben je vrstni red križanja koncev vrvice, tako pri zavezovanju vezalk kot povsod drugod. Raziskovalci laboratorija za biotehnologijo na Kemijskem inštitutu pod vodstvom prof. Romana Jerale pa so te dni poročali o iznajdbi načina za pripravo molekulskih struktur, pri katerih se veriga molekule križa več kot 30-krat.

Drugače kot pri običajnem ročnem zavezovanju vozlov naj bi se molekule na nanometrski skali zavezale v vozle same od sebe. To je mogoče doseči tako, da v zaporedje polimerne molekule vgradijo informacijo o želeni končni strukturi in vrstnem redu križanja koncev verige; prav to je tudi novost tokratnega dognanja.

Za material so izbrali deoksiribonukleinsko kislino (DNK), ki je v naravi običajno nosilec dednega zapisa. V zadnjih treh desetletjih je namreč znanost pokazala, da je DNK mogoče uporabiti tudi kot pameten gradbeni material za tvorbo popolnoma novih struktur in oblik, med drugim za izdelavo nanometrskega zemljevida Slovenije.

Za sestavljanje DNK nanostruktur ponavadi potrebujejo več kemijsko sintetiziranih verig in dolgotrajno počasno ohlajanje, kar ni najbolj tehnološko uporabno. Raziskovalci Kemijskega inštituta so določili pravila, po katerih se DNK sama zavozla v želeno obliko piramide ali drugih struktur. Odkrili so, da je ključno, da na vsaki stopnji ostane prost vsaj en konec verige DNK, tako da se ta lahko kakor nit uvije skozi zanke v nastajajoči strukturi.

Vid Kočar, doktorski študent in prvi avtor publikacije, objavljene v reviji Nature Communications, je pripravil načrt za štiristrano piramido, sestavljeno iz ene same verige DNK. Zasnoval je šest oblik piramide, sestavljenih iz enakih segmentov DNK, ki tvorijo stranico piramide. Segmenti so bili v različnem vrstnem redu povezani v eno verigo, toda le optimalni dizajn je upošteval pravilo prostih koncev, vrstni red povezovanja pa je omogočil stabilnost posameznih stranic piramide.

Pokazalo se je, da se je samo DNK na podlagi optimalnega dizajna hitro zvila v pričakovano strukturo. Če so, denimo, DNK z visoke temperature prestavili na led ali celo v tekoči dušik, se je edino optimalni dizajn zvil brez težav. Pomembno vlogo v raziskavi je imelo modeliranje, pri katerem so sodelovali raziskovalca z Univerze v Oxfordu, prof. Jonathan Doye in John Shreck, ter matematika Univerze v Ljubljani ter Univerze na Primorskem, prof. Tomaž Pisanski in študent Nino Bašić.

Avtorji raziskave menijo, da bo poglavitna uporaba inovativne tehnologije načrtovanje vozlov na osnovi proteinov, in sicer kot nadaljevanje dela na proteinskih nanostrukturah, ki so jih raziskovalci Kemijskega inštituta razvili pred dobrima dvema letoma in rezultate objavili v reviji Nature Chemical Biology. Ker so vozli zelo uporabni v tehnologiji, pričakujejo, da jim bo s pomočjo molekulskih vozlov uspelo pripraviti nanomateriale, ki bodo poleg bolj trdne povezanosti imeli še druge zanimive lastnosti.