Учёные разработали алгоритм, который повышает надёжность сборки ДНК-оригами за счёт подбора оптимальных последовательностей ДНК

Международная группа исследователей под руководством Ньюкаслского университета (Англия) разработала вычислительный инструмент, который повышает надёжность сборки ДНК- и РНК-оригами, позволяя заранее учитывать нежелательные взаимодействия между фрагментами ДНК. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

ДНК-оригами — это метод молекулярной инженерии, при котором из длинной «каркасной» цепи ДНК и множества коротких цепочек (staples) самопроизвольно собираются заданные наноструктуры. При нагревании и последующем медленном охлаждении короткие фрагменты связываются с комплементарными участками каркаса, «сшивая» его в заранее заданную двух- или трёхмерную форму.

Несмотря на кажущуюся управляемость процесса, на практике значительная часть структур формируется с ошибками. Причина заключается в нежелательных перекрёстных взаимодействиях между цепочками ДНК: они могут «перехватывать» друг друга и уводить систему в неправильные пути сборки, снижая выход корректных конструкций даже при верной общей архитектуре.

Для решения этой проблемы авторы работы создали вычислительную модель, которая анализирует последовательности ДНК и предсказывает участки, склонные к побочным взаимодействиям. Алгоритм одновременно оптимизирует выбор «каркасной» последовательности и размещение «коротких цепочек», минимизируя вероятность попадания системы в кинетические ловушки — состояния, в которых сборка застревает на промежуточных ошибочных конфигурациях.

Модель протестировали на двухмерных и трёхмерных структурах ДНК-оригами. Эксперименты показали, что конструкции, спроектированные с учётом предсказанных «конфликтных» участков, значительно чаще собирались корректно, тогда как неоптимизированные последовательности давали высокий уровень неправильной сборки, несмотря на одинаковую геометрическую задачу.

Авторы подчёркивают, что ключевым фактором оказывается не только геометрия целевой структуры, но и конкретный выбор последовательности нуклеотидов, из которых она собрана. Этот параметр ранее часто считался вторичным по сравнению с общей схемой конструкции.

По словам профессора Наталио Красногор (Natalio Krasnogor), предложенный вычислительный подход позволяет одновременно оптимизировать несколько критериев сборки и существенно снижать число нежелательных взаимодействий, влияющих на эффективность и однородность получаемых наноструктур.

Другие участники работы отмечают, что распространённые сегодня методы ДНК-оригами во многом зависят от случайного выбора доступного каркаса, и именно это может объяснять разную успешность экспериментов при внешне одинаковых условиях.

Разработанный инструмент уже применяется для подбора оптимальных наборов «коротких цепочек» и может использоваться для проектирования более устойчивых наноконструкций. В перспективе авторы рассматривают его применение для создания наноконтейнеров, способных переносить биологические молекулы, включая мРНК, в клетки.

Исследование также демонстрирует более широкий сдвиг в области: ДНК-оригами всё чаще рассматривается не как экспериментальная технология самосборки, а как система, требующая точного вычислительного проектирования на уровне последовательностей, а не только форм.