Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 15 – vyšlo 7. května, ročník 8 (2010) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

15/2010

Nanoburlaci – kráčející molekuly II: DNA nanorobot

Vítězslav Kříha

Už vám někdy odešel pevný disk? Následovalo zděšení přímo úměrné uplynulé době od posledního zálohování a nepřímo úměrné času stráveného správou vašeho počítače? Snad vás při této děsivé vzpomínce uklidní, že vaše pocity jistě byly nesrovnatelné s čirou hrůzou, jež by se vás zmocnila, pokud by váš nosič informací kolem vás beze slůvka rozloučení opravdu fyzicky odkráčel. Chodící datové nosiče? Co v makrosvětě budí dojem uskutečněné noční můry, je na úrovni molekul nesoucích posloupnost kódu zároveň velice zajímavým nástrojem. Z hlediska nanostruktur, nanomanipulátorů, nanofarmacie či nových konstrukcí počítačů jako celku či jejich prvků rozšiřuje možnost pohybu způsoby využití molekul nesoucích informaci. Vedle pokroků v molekulární biologii, odhalujících využití nukleových kyselin samou živou přírodou, lidské poznání přináší stále nové a nové možnosti mnohostranného využití fascinujících molekul – DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace. a RNARNA – Ribonucleic acid, ribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejiž cukernou složkou je ribóza, nukleotidy jsou obdobné jako v DNA, pouze báze thymin je nahrazena uracilem, který také umožňuje komplementaritu s adeninem. Hlavní funkcí RNA je přenos informace z DNA do dalších struktur. Na rozdíl od DNA dvoušroubovice není typickou strukturou RNA..

V AB 38/2009 jsme si vysvětlili základní pojmy týkající se nukleových kyselinNukleové kyseliny – makromolekuly zajišťující v živé buňce ukládaní, přenos a zpracování genetické informace, jsou lineární orientované polymery tvořené nukleotidy. Informační obsah nukleotidů nesou heterocyklické dusíkaté báze odvozené buď od purinu, nebo od pyrimidinu. V ribonukleotidech, vytvářejících ribonukleovou kyselinu (RNA) jsou purinové báze adenin (A) a guanin (G) a pyrimidinové báze cytosin (C) a uracil (U) navázány v místě uhlíku 1’ na ribóza 5-fostát. V deoxyribonukleotidech, vytvářejících deoxyribonukleovou kyselinu (DNA) je na uhlíku 2’ nahrazena hydroxylová skupina vodíkem. DNA využívá purinové báze A a G, avšak pyrimidinové báze cytosin (C) a thymin (T). a ukázali jsme si, jak je možné DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace. použít jako konstrukční materiál plošných útvarů či na tvorbu stěn třírozměrných objektů, například nanotruhliček. Nanotruhličky využívají DNA i jako funkční strukturu, která zajišťovala uzamykání a odemykání víčka. Navážeme nyní na tento výklad a v budování světa tvořeného skládáním a různým využitím DNA budeme pokračovat vytvořením dráhy spojující dvě místa a mechanismu, který může přesouvat náklad, opět za použití DNA.

Komplementární domény – vzájemně se doplňující části molekul, přesně do sebe zapadající jako klíč do zámku či otisk do formy. Slouží k rozpoznávání na molekulární úrovni. Příkladem mohou být vlákna DNA tvořící dvojšroubovici, úseky t-RNA, zodpovědné za vytvoření charakteristického motivu trojlístku z původní lineární molekuly, aktivní oblasti antigenu a protilátky či signální molekuly a receptoru buněčné membrány. Palindrom – slovo, věta, číslo, melodie, kód, obecně posloupnost symbolů, která dává při čtení zleva doprava i zprava doleva stejný význam. Příkladem může být slovo „nezařazen“ či věta: „Ale jak ta Katka jela.“ Nejpoužívanějším palindromem, nikoli však pro palindrom samotný, bude asi věta: „Je blbej.“ Nejpodlejším palindromem je slůvko „TAHAT“ vyvedené velkými písmeny na průhledných dveřích. V genetice se palindromovou sekvencí rozumí dvě komplementární domény umístěné na jediném řetězci. Na rozdíl od palindromu v původním smyslu je palindromová sekvence nukleotidů v opačném pořadí tvořena komplementárními nukleotidy, například TAAGCATGCTTA. Sekvence nukleotidů – pořadí nukleotidů v nukleové kyselině. Obvykle se zapisuje pomocí jednopísmenných zkratek pro jednotlivé nukleotidy. Vlásenková struktura nukleové kyseliny – struktura vzniklá spojením palindromových sekvencí na jediném vlákně. Lepivý konec DNA – koncový úsek řetězce s nenavázaným komplementárním řetězcem nukleové kyseliny. Základní spojovací prvek při syntéze delších řetězců i složitějších struktur z nukleových kyselin. Významné jsou i při náhradě jednoho řetězce DNA jiným. Oligonukleotid – krátký úsek nukleové kyseliny, tvořený sekvencí zhruba 20 základních stavebních kamenů nukleových kyselin – nukleotidů. Nukleotidy jsou samy tvořeny sacharidovou složkou, zbytkem kyseliny fosforečné a strukturou nesoucí informaci – heterocyklickou dusíkatou bází. Hybridizace nukleových kyselin – spojení komplementárních úseků dvou nukleových kyselin různého původu.

Krátce připomeňme, že nukleové kyseliny jsou heteropolymery nukleotidůNukleotidy – fosforylované nukleosidy, na pátý uhlík sacharidové složky je navázán jeden nebo více zbytků kyseliny fosforečné. Sacharidovou složku tvoří buď ribóza (ribonukleotidy) nebo deoxyribóza (deoxyribonukleotidy). Tvoří monomery nukleových kyselin, dále vstupují (přímo nebo ve formě derivátů) do enzymatických reakcí, přenosu energie a informace. Genetická informace je kódována posloupností nukleotidů., tedy polymery tvořené různými základními stavebními prvky – monomerními jednotkami. Jednotlivé nukleotidy daného typu nukleové kyselinyNukleové kyseliny – makromolekuly zajišťující v živé buňce ukládaní, přenos a zpracování genetické informace, jsou lineární orientované polymery tvořené nukleotidy. Informační obsah nukleotidů nesou heterocyklické dusíkaté báze odvozené buď od purinu, nebo od pyrimidinu. V ribonukleotidech, vytvářejících ribonukleovou kyselinu (RNA) jsou purinové báze adenin (A) a guanin (G) a pyrimidinové báze cytosin (C) a uracil (U) navázány v místě uhlíku 1’ na ribóza 5-fostát. V deoxyribonukleotidech, vytvářejících deoxyribonukleovou kyselinu (DNA) je na uhlíku 2’ nahrazena hydroxylová skupina vodíkem. DNA využívá purinové báze A a G, avšak pyrimidinové báze cytosin (C) a thymin (T). se liší dusíkatými bázemi, jejichž elektronová struktura zprostředkovává vlastní rozpoznávání informačního obsahu nukleových kyselin. V ribonukleových kyselináchRNA – Ribonucleic acid, ribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejiž cukernou složkou je ribóza, nukleotidy jsou obdobné jako v DNA, pouze báze thymin je nahrazena uracilem, který také umožňuje komplementaritu s adeninem. Hlavní funkcí RNA je přenos informace z DNA do dalších struktur. Na rozdíl od DNA dvoušroubovice není typickou strukturou RNA. se vyskytují čtyři báze adenin, guanin, cytosin a uracil; v deoxyribonukleových kyselináchDNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace. pak adenin, guanin, cytosin a thymin. (Vedle těchto majoritních bází se v nukleových kyselinách nacházejí i báze méně časté, minoritní, které jsou zajímavé z hlediska biologie, dosud však nejsou široce využívány v DNA a RNA nanotechnologiíchNanotechnologie – obor zabývající se aplikováním výsledků nanofyziky. Zkoumá možnosti, jak vytvářet zařízení molekulových rozměrů a jak manipulovat s jednotlivými atomy tak, aby se dosáhlo žádaných vlastností. Protože u zařízení vyrobených pomocí nanotechnologie můžeme jejich činnost předurčit polohou a druhem jednotlivých atomů, můžeme dosáhnout maximální účinnosti, efektivity a výkonu, při dodržení malých rozměrů., takže je v dalším výkladu nebudeme uvažovat.) Vazba mezi nukleotidy je uskutečňována prostřednictvím zbytku kyseliny fosforečné: na uhlík 5’ v sacharidovéMonosacharidy – organické sloučeniny tvořené kostrou vzájemně vázaných uhlíků, kde k jednomu uhlíku je vázán kyslík dvojnou vazbou (karbonylová skupina C=O) a k ostatním je vždy po jednom navázán kyslík v podobě hydroxylové skupiny –OH. Pokud je uhlík vázaný s kyslíkem dvojnou vazbou na konci řetězce, nazývají se monosacharidy aldózy, pokud je uvnitř řetězce, hovoříme o ketózách. Podle počtu uhlíků dělíme monosacharidy na triózy (3 C), tetrózy (4 C), pentózy (5 C), hexózy (6 C) a heptózy (7 C). Karbonylová skupina C=O je vysoce reaktivní, což u delších řetězců, pentóz a zejména hexóz, umožňuje vytváření heterocyklické formy monosacharidů díky reakci s –OH skupinami navázanými na vzdálenějších uhlících. Tato cyklická forma je v rovnováze s formou, ve které se vyskytuje karbonylová skupina. složce jednoho nukleotidu je přes fosforečnanový můstek navázán uhlík 3’ v sacharidové složce (ribózeRibóza – monosacharid, aldóza tvořená pěti uhlíky. či deoxyribózeDeoxyribóza – přesněji 2’ deoxyribóza, derivát ribózy, ve které je hydroxylová skupina –OH na druhém uhlíku nahrazena vodíkem.) druhého nukleotidu. Řetězce nukleových kyselin jsou orientované struktury, jejich odlišné konce se popisují podle uhlíkuUhlík – Carboneum, chemický prvek, tvořící základní stavební kámen všech organismů. Sloučeniny uhlíku jsou jedním ze základů světové energetiky, kde především fosilní paliva jako zemní plyn a uhlí slouží jako energetický zdroj pro výrobu elektřiny a vytápění, produkty zpracování ropy jsou nezbytné pro pohon spalovacích motorů a silniční dopravu. Výrobky chemického průmyslu na bázi uhlíku jsou součástí našeho každodenního života ať jde o plastické hmoty, umělá vlákna, nátěrové hmoty, léčiva a mnoho dalších. v sacharidové složce nukleotidu, který není navázán na sousední nukleotid pomocí zbytku kyseliny fosforečné: 5’ konec a 3’ konec. Jednotlivé řetězce nukleových kyselin se nevětví a jejich uspořádání může být zapsáno pomocí jednopísmenných zkratek odvozených od prvního písmene přítomné báze jako posloupnost tvořená velkými písmeny A, C, G a U pro RNA nebo A, C, G a T pro DNA.

Rozpoznávání bází v nukleových kyselinách je uskutečněno díky párování bázíWatsonovy-Crickovy páry – W-C páry, komplementární páry nukleotidů v nukleových kyselinách. Komplementaritu v párech nukleotidů zajišťují báze nukleových kyselin. V DNA jsou komplementárními páry (A,T) a (C,G), pro RNA (A,U) a (C,G).. DNA je v přirozeném stavu tvořena dvěma řetězci, které jsou po celé délce vzájemně komplementárníKomplementární páry – vzájemně se doplňující dvojice částí molekul, které do sebe zapadají jako klíč do zámku nebo odlitek do formy. Umožňují samoorganizaci a vzájemné rozpoznávání na úrovni molekul..

Je libo DNA či RNA? Máte ji mít. A jakou sekvenci si budete přát?

Prvním krokem při vytváření světa ze stavebnice z kusů nukleových kyselinNukleové kyseliny – makromolekuly zajišťující v živé buňce ukládaní, přenos a zpracování genetické informace, jsou lineární orientované polymery tvořené nukleotidy. Informační obsah nukleotidů nesou heterocyklické dusíkaté báze odvozené buď od purinu, nebo od pyrimidinu. V ribonukleotidech, vytvářejících ribonukleovou kyselinu (RNA) jsou purinové báze adenin (A) a guanin (G) a pyrimidinové báze cytosin (C) a uracil (U) navázány v místě uhlíku 1’ na ribóza 5-fostát. V deoxyribonukleotidech, vytvářejících deoxyribonukleovou kyselinu (DNA) je na uhlíku 2’ nahrazena hydroxylová skupina vodíkem. DNA využívá purinové báze A a G, avšak pyrimidinové báze cytosin (C) a thymin (T). je opatření si stavebního materiálu. První možností je využít darů přírody a použít vhodné úseky DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace. či RNARNA – Ribonucleic acid, ribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejiž cukernou složkou je ribóza, nukleotidy jsou obdobné jako v DNA, pouze báze thymin je nahrazena uracilem, který také umožňuje komplementaritu s adeninem. Hlavní funkcí RNA je přenos informace z DNA do dalších struktur. Na rozdíl od DNA dvoušroubovice není typickou strukturou RNA. vytvářené živými organizmy, ať už se jedná o jejich vlastní genetický materiál, nebo o parazity na úrovni nukleových kyselin – viryVirus – struktura nacházející se na hranici mezi živým a neživým. Ty nejprimitivnější viry obsahují pouze svoji genetickou informaci ve formě DNA nebo RNA, které jsou uloženy ve vnitřní části (nukleoidu) obklopeném proteinovou schránkou (kapsidou). Obalené viry mají navíc virový obal z membrány tvořené proteinovou a lipidovou dvouvrstvou. Viry nejsou schopny samostatné replikace bez hostitelské buňky. Buňka slouží pouze jako biologická továrna a sklad náhradních dílů potřebných pro vznik nových virů., případně u bakterií fágyBakteriofág – virus napadající bakterie. Pro buňky s jádry (eukaryotní), tj. buňky rostlin a živočichů, je neškodný. DNA, resp. RNA bakteriofágu je obalená v bílkovinném (proteinovém) obalu, na jednom konci přizpůsobeném k přichycení na bakterii. Při napadání bakterie se bakteriofág přichytí na její stěnu a vtlačí do ní svoji kopii DNA, resp. RNA.. Druhá možnost je vytvářet nukleové kyseliny uměle: skládat je vzájemným navázáním definovaných krátkých úseků nukleové kyseliny – oligonukleotidůOligonukleotid – krátký úsek nukleové kyseliny, tvořený sekvencí zhruba 20 základních stavebních kamenů nukleových kyselin – nukleotidů. Nukleotidy jsou samy tvořeny sacharidovou složkou, zbytkem kyseliny fosforečné a strukturou nesoucí informaci – heterocyklickou dusíkatou bází.. (Otázka vytvoření velkého množství kopií existujícího úseku nukleové kyseliny je na příkladu polymerázové řetězové reakce probrána v AB 38/2009).

Ačkoli oligonukleotidyOligonukleotid – krátký úsek nukleové kyseliny, tvořený sekvencí zhruba 20 základních stavebních kamenů nukleových kyselin – nukleotidů. Nukleotidy jsou samy tvořeny sacharidovou složkou, zbytkem kyseliny fosforečné a strukturou nesoucí informaci – heterocyklickou dusíkatou bází. jsou komerčně dostupné, stačí vyplnit formulář s požadovaným pořadím nukleotidůNukleotidy – fosforylované nukleosidy, na pátý uhlík sacharidové složky je navázán jeden nebo více zbytků kyseliny fosforečné. Sacharidovou složku tvoří buď ribóza (ribonukleotidy) nebo deoxyribóza (deoxyribonukleotidy). Tvoří monomery nukleových kyselin, dále vstupují (přímo nebo ve formě derivátů) do enzymatických reakcí, přenosu energie a informace. Genetická informace je kódována posloupností nukleotidů. a o zbytek se za patřičný obnos postará firma, zamysleme se nad tím, jak si vytvořit úsek nukleové kyseliny s pořadím nukleotidů dle vlastního přání. Prvním krokem je příprava čtveřice potřebných nukleotidů, přesněji jejich vhodných derivátů. Derivát prvního nukleotidu vytvářeného řetězce se obvykle ukotvuje pomocí chemické vazby k pevnému nosiči. Díky tomuto ukotvení je možné prostým vyplachováním měnit reakční směs a postupně narůstající řetězce oligonukleotidů zůstávají v reakční nádobě. Aby se v každém reakčním cyklu navázal právě jeden nukleotid, musí být zabráněno řetězení stejných nukleotidů v reakční směsi. Dosáhne se toho použitím derivátu patřičného nukleotidu namísto samotného nukleotidu. Vazebné místo, na které se navazují následující nukleotidy, je pomocí navázaného radikálu na úrovni chemické vazby zablokováno. Pro názornější představu si můžeme přestavit, že vazebné místo, ve kterém se prodlužuje řetězec nukleové kyseliny, je překryto jakousi ochrannou čepičkou. Tato čepička se odstraní až v dalším kroku, až po vypláchnutí volných nukleotidů, které nejsou navázány na pevný nosič, z reakční nádoby.

Schéma syntézy oligonukleotidů, krok 1: Navázaní prvních nukleotidů na pevný nosič.
Vazebná místa jsou chráněna čepičkami.

Schéma syntézy oligonukleotidů, krok 2: Uvolnění vazebných míst

Syntéza oligonukleotidů, krok 3: Přidání následujících nukleotidů.

Schéma syntézy oligonukleotidů, krok 4: Prodloužení oligonukleotidu o další
nukleotid. Prodlužování pokračuje opakováním kroků 2 – 3.

Schéma syntézy oligonukleotidu na příkladu trinukleotidu
tvořeného třemi různými nukleotidy.

Palindromy, vlásenky, lepivé konce, příčné můstky

Máme-li k dispozici technologii jak postupně prodlužovat řetězec nukleové kyselinyNukleové kyseliny – makromolekuly zajišťující v živé buňce ukládaní, přenos a zpracování genetické informace, jsou lineární orientované polymery tvořené nukleotidy. Informační obsah nukleotidů nesou heterocyklické dusíkaté báze odvozené buď od purinu, nebo od pyrimidinu. V ribonukleotidech, vytvářejících ribonukleovou kyselinu (RNA) jsou purinové báze adenin (A) a guanin (G) a pyrimidinové báze cytosin (C) a uracil (U) navázány v místě uhlíku 1’ na ribóza 5-fostát. V deoxyribonukleotidech, vytvářejících deoxyribonukleovou kyselinu (DNA) je na uhlíku 2’ nahrazena hydroxylová skupina vodíkem. DNA využívá purinové báze A a G, avšak pyrimidinové báze cytosin (C) a thymin (T)., je otázka, proč vlastně sestavovat celou molekulu z krátkých úseků. Proč ji vlastně nevystavět rovnou celou nukleotidNukleotidy – fosforylované nukleosidy, na pátý uhlík sacharidové složky je navázán jeden nebo více zbytků kyseliny fosforečné. Sacharidovou složku tvoří buď ribóza (ribonukleotidy) nebo deoxyribóza (deoxyribonukleotidy). Tvoří monomery nukleových kyselin, dále vstupují (přímo nebo ve formě derivátů) do enzymatických reakcí, přenosu energie a informace. Genetická informace je kódována posloupností nukleotidů. za nukleotidem?

Pokud vás to jen napadlo, prozrazujete na sebe, že jste pořádní a nikdy byste nenosili týden v jedné tašce sluchátka, nabíječku k telefonu, propojovací USB kabel a drátovou anténu. Vězte tedy, že zmíněné lineární útvary vytvoří pozoruhodně zašmodrchané klubko, jehož rozmotávání za chmurných úvah o neceločíselných dimenzích dovede zabavit na poměrně dlouhou dobu. Jistě vás zaujme, že nejvíce zamotané jsou tenké kabely sluchátek a nabíječky. DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace. je o šest řádů tenčí a nachází se ve vodě, jejíž molekuly do ní neustále narážejí…

Skutečná situace je ještě horší. K lepší analogii s nukleovými kyselinamiNukleové kyseliny – makromolekuly zajišťující v živé buňce ukládaní, přenos a zpracování genetické informace, jsou lineární orientované polymery tvořené nukleotidy. Informační obsah nukleotidů nesou heterocyklické dusíkaté báze odvozené buď od purinu, nebo od pyrimidinu. V ribonukleotidech, vytvářejících ribonukleovou kyselinu (RNA) jsou purinové báze adenin (A) a guanin (G) a pyrimidinové báze cytosin (C) a uracil (U) navázány v místě uhlíku 1’ na ribóza 5-fostát. V deoxyribonukleotidech, vytvářejících deoxyribonukleovou kyselinu (DNA) je na uhlíku 2’ nahrazena hydroxylová skupina vodíkem. DNA využívá purinové báze A a G, avšak pyrimidinové báze cytosin (C) a thymin (T). je třeba vedle nepořádnosti ještě přicházet do styku s malými dětmi, které vám bezelstně ocucaným bonbónem na různých místech zapatlají vaše nedbale uložené kabely. Až budete tato slepená místa odmáčet, láskyplně buďte robátkům vděčni za názorné předvedení důsledku párování  nukleových kyselin, ať na jediném řetězci, nebo mezi různými řetězci.

Především přítomnost komplementárních domén na řetězci omezuje délku reálně vytvářených oligonukleotidůOligonukleotid – krátký úsek nukleové kyseliny, tvořený sekvencí zhruba 20 základních stavebních kamenů nukleových kyselin – nukleotidů. Nukleotidy jsou samy tvořeny sacharidovou složkou, zbytkem kyseliny fosforečné a strukturou nesoucí informaci – heterocyklickou dusíkatou bází. na zhurba 200 nukleotidů; obvykle se však vytvářejí oligonukleotidy se zhruba dvaceti nukleotidy. S narůstající délkou řetězce totiž narůstá pravděpodobnost vytvoření komplementárních úseků.

Watsonovo-Crickovo párováníWatsonovy-Crickovy páry – W-C páry, komplementární páry nukleotidů v nukleových kyselinách. Komplementaritu v párech nukleotidů zajišťují báze nukleových kyselin. V DNA jsou komplementárními páry (A,T) a (C,G), pro RNA (A,U) a (C,G). komplementárních domén však může být žádoucí. Chcete-li manipulovat s lepicí páskou, to nejsnazší, co při tom můžete udělat, je tuto pásku na něco nalepit. Chcete-li zabránit nekontrolovanému párování nukleových kyselin, spárujete je na sebe sama. Pokud je první polovina řetězce komplementární k druhé polovině, například CACGGTGCGCACCGTG vzniká palindromPalindrom – slovo, věta, číslo, melodie, kód, obecně posloupnost symbolů, která dává při čtení zleva doprava i zprava doleva stejný význam. Příkladem může být slovo „nezařazen“ či věta: „Ale jak ta Katka jela.“ Nejpoužívanějším palindromem, nikoli však pro palindrom samotný, bude asi věta: „Je blbej.“ Nejpodlejším palindromem je slůvko „TAHAT“ vyvedené velkými písmeny na průhledných dveřích. V genetice se palindromovou sekvencí rozumí dvě komplementární domény umístěné na jediném řetězci. Na rozdíl od palindromu v původním smyslu je palindromová sekvence nukleotidů v opačném pořadí tvořena komplementárními nukleotidy, například TAAGCATGCTTA., který má přirozenou tendenci se navázat sám na sebe. Pokud je mezi oběma komplementárními sekvencemi umístěna krátká vmezeřená sekvence nukleotidů, vzniká po vzájemném navázání struktura vlásenky, kdy nespárované vmezeřené nukleotidy vytvoří smyčku.

Dalším důležitým motivem z hlediska manipulace s nukleovými kyselinami je lepivý konecLepivý konec DNA – koncový úsek řetězce s nenavázaným komplementárním řetězcem nukleové kyseliny. Základní spojovací prvek při syntéze delších řetězců i složitějších struktur z nukleových kyselin. Významné jsou i při náhradě jednoho řetězce DNA jiným.. Je tvořen přesahem jednoho ze dvou vzájemně komplementárních řetězců dvouvláknové nukleové kyseliny. Nukleotidy, tvořící přesah na konci DNA, výsledně zůstávají nespárované. Lepivý konec může být využit ke spojování kratších úseků dvouřetězcové DNA, vlastně jakémusi „nastavování DNA“. Zajímavější možností je využití lepivého konce k náhradě jednoho komplementárního řetězce jiným komplementárním řetězcem, který se začne navazovat v místě lepivého konce. Takto byl odemykán DNA zámek nanotruhličky v AB 38/2009. Lepivý konec může být využit k rozpojení vlásenkové strukturyVlásenková struktura nukleové kyseliny – struktura vzniklá spojením palindromových sekvencí na jediném vlákně., ale také umožňuje přejít z přirozeně lineární struktury DNA, která je vlastní biologii, do dvojrozměrných struktur, které jsou zajímavé pro technické aplikace.

Vlásenková struktura DNA (A) a lepivý konec DNA (B) s vyznačenými nukleotidy
a pomocí schematického naznačení řetězců DNA. Zdroj: Comm. of the ACM 50/9.

Jinou možností, jak se neomezovat pouze na lineární dvoušrobovici, jsou příčné můstky. Představte si dvě identické dvoušroubovice DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace., které na shodném úseku částečně rozpojíte, takže z obou dvoušroubovic ční jednovláknové DNA. Ke každému vláknu jsou komplementární dvě vlákna – jedno z původní dvoušroubovice, druhé ze sousední dvoušroubovice. Vytvořením nové dvoušroubovice s použitím sousedního vlákna vzniká příčný můstek mezi dvěma vlákny. Díky těmto můstkům je možné vytváření DNA origami, popsaných v AB 38/2009.

Příčný můstek mezi dvěma antiparalelními vlákny DNA.
Zdroj: Comm. of the ACM 50/9.

DNA nanorobot

DNA nanorobot je tvořen jednovláknovou DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace., která uprostřed obsahuje napojení 5’ konce na 5’ konec a směrem od středu na obě strany jsou vlákna zakončena 3' konci a plní funkci nohou robota. Tyto dvě nohy se označují jako lichá L-O a sudá L-E. Robot kráčí po lineární trase z čtyřřetězcové DNA s příčnými můstky, ze které ční vlásenkové struktury, upevněné do trasy hybridizacíHybridizace nukleových kyselin – spojení komplementárních úseků dvou nukleových kyselin různého původu. v oblasti smyčky. Tyto vlásenky plní roli nášlapů pro DNA robota. V roztoku jsou dva druhy paliva, vlásenkové DNAVlásenková struktura nukleové kyseliny – struktura vzniklá spojením palindromových sekvencí na jediném vlákně., označované jako F1 a F2, které se hybridizují s sousedními nášlapy a tím uvolňují nohy robota. Sudé nohy nanorobota hybridizují pouze se sudými nášlapy, lichá noha pouze s lichými.

Fáze 1: Lichá noha DNA robota je navázána k nášlapnému řetězci T1, sudá noha k řetězci T2. Sudá noha L-E je ve vedoucím postavení, levý řetězec T2 je připraven k navázání molekuly paliva F1. Komplementární domény na palivu F1 a řetězci T2 jsou naznačeny písmenem c. Zdroj: Science 324/5923, pp. 67-71.

Fáze 2: Vlásenková molekula paliva F1 se spojuje s řetězcem T2. Zdroj: Science 324/5923, pp. 67-71.

Fáze 3: Vlásenka paliva F1 je rozpojena a připravena uvolnit lichou nohu navázáním na T1. K hybridizaci s T3 nedochází, komplementární doména je příliš vzdálena. Zdroj: Science 324/5923, pp. 67-71.

Fáze 4: Molekula paliva F1 na nášlapném řetězci T1 vytěsňuje lichou nohu L-O. Zdroj: Science 324/5923, pp. 67-71.

Fáze 5: Palivo F1 nahradilo lichou nohu L-O na nášlapu T1. Zpětné hybridizaci nohy zabraňuje fialově naznačený přesah komplementárních úseků paliva a nášlapu oproti komplementárním úsekům nohy a nášlapu. Zdroj: Science 324/5923, pp. 67-71.

Fáze 6: Lichá noha L-O se díky Brownovým pohybům přemisťuje k nášlapu T3. Přesah komplementárních úseků zajišťující jednosměrnost pohybu je znázorněn zeleně a označen písmenem d. Zdroj: Science 324/5923, pp. 67-71.

Fáze 7: Lichá noha L-Ose hybridizuje s nášlapem T3. Zdroj: Science 324/5923, pp. 67-71.

Fáze 8: Tato fáze je analogická fázi 1, palivo F1 je nahrazeno palivem F2, liché struktury sudými a naopak. Fáze 1-7 se tak opakují pro přesun sudé končetiny. Zdroj: Science 324/5923, pp. 67-71.

Závěr

Výše uvedený způsob není jedinou možností, jak pomocí DNADNA – Deoxyribonucleic acid, deoxyribonukleová kyselina. Jde o nukleovou kyselinu, jejíž cukernou složkou je 2'-deoxyribóza. Báze jsou tvořeny především čtveřicí adenin, thymin, guanin a cytosin; vzájemně komplementární jsou nukleotidy s adeninem a thyminem, a nukleotidy s cytosinem a guaninem. DNA vytváří dvoušroubovici z navzájem komplementárních opačně orientovaných řetězců, pracovního a paměťového. Její hlavní funkcí je uchovávání genetické informace. nanorobota uskutečnit pohyb podél trasy ze syntetické DNA. Dokonce není nutné se omezovat ani na lineární pohyb, principiálně je možné vodicí strukturu vytvořit ve dvou i třech dimenzích. Namísto spotřebování paliva v podobě DNA vlásenek je možné zvolit jiný přístup – do roztoku mohou být cyklicky přidávány vhodné enzymyEnzymy – jednoduché či složené bílkoviny, které katalyzují chemické přeměny v živých organizmech., které vyhledají přesnou sekvenci nukleotidůNukleotidy – fosforylované nukleosidy, na pátý uhlík sacharidové složky je navázán jeden nebo více zbytků kyseliny fosforečné. Sacharidovou složku tvoří buď ribóza (ribonukleotidy) nebo deoxyribóza (deoxyribonukleotidy). Tvoří monomery nukleových kyselin, dále vstupují (přímo nebo ve formě derivátů) do enzymatických reakcí, přenosu energie a informace. Genetická informace je kódována posloupností nukleotidů., a na tomto místě rozstřihnou řetězec DNA, poté jsou nahrazeny jinými enzymy, které spojí řetězec na jiném místě, následují enzymy, které opět rozstřihnou DNA, tentokrát v místě jiné sekvence, ty jsou pak v posledním kroku cyklu nahrazeny enzymy spojujícími DNA. Ani pohyb kráčením cestující molekuly není nutný – vlásenky ukotvené do vodicí struktury se mohou ohýbat a předávat si molekulu stejným způsobem, jako se přemisťuje vědro vody živým řetězem při požáru. Popsaný pohyb pomocí dvou druhů paliva stále přítomných v reakční směsi však představuje větší potenciál, než jen přesun nějakého nákladu. Pohyb totiž nemusí být vázaný jen na podněty z makrosvěta. Dalším důležitým momentem je skutečnost, že po trase se přejde právě jednou, pak je již vyřazena (ne nutně trvale!) navázáním paliva, jinými slovy robot mění stav z „nepřešel“ do „přešel“. Zároveň je jasné, že DNA je kvalitním nosičem informace (přinejmenším přírodě se osvědčila). Možnost využití jako paralelního počítače, nebo alespoň řídící logiky či paměťového zařízení se tak přímo nabízí.

Vývoj v oblasti pohybu úseků DNA po DNA vodicích strukturách bude jistě nadále pokračovat. Je to bezpochyby správný směr. Abychom se vrátili zpět na začátek: když Vám nyní odejde pevný disk, vzniká odpad, který je nutné složitým způsobem likvidovat. DNA by se neměla jíst moc často, jinak vám hrozí dna (chcete-li podágra či pakostnice), ale strávit se dá. A nepochybuji, že vám takto pojatý recyklační úkon spraví náladu.

Animace týdne: Replikace DNA

Replikace DNA. Vlákno DNA je tvořeno dvoušroubovicí tvořenou dvěma antiparalelními orientovanými vlákny. Replikace (zkopírování, zdvojení) DNA začíná v místě sekvence nukleotidů označované počátek replikace. Enzym helikáza (znázorněný fialově) uskuteční lokální rozvinutí dvouřetězcové šroubovice DNA na dvě jednořetezcová vlákna. Zpětnému spontánnímu sbalení DNA do dvoušroubovice zabraňují SSB proteiny, bílkoviny vázající se na jednořetězcová vlákna (znázorněny okrově). Tyto bílkoviny reagují s určitými úseky jednořetězcové DNA a stabilizují je. DNA polymeráza III je hlavním enzymem zapojeným do replikace DNA. Podle komplementárního, doplňkového vzoru v matricovém řetězci (znázorněný světle modře) dokáže pouze připojit nukleotid na konec již existujícího nového řetězce nukleotidů (znázorněný lososově) v místě hydroxylu na třetím uhlíku deoxyribózy (fialové pětiúhelníky), podle něhož je tento konec označovaný 3’. Při tomto ději se z nukleotidtrifosfátu odštěpí dva zbytky kyseliny fosforečné (znázorněné žlutě) a poslední fosforečnanový zbytek slouží jako spojovací člen mezi nukleotidy v řetězci. DNA polymeráza III sama nedokáže zahájit tvorbu nového řetězce.

Zahájení tvorby nového řetězce se tudíž uskutečňuje pomocí jiného enzymu, RNA polymerázy označované primáza, která vytvoří sekvenci zhruba deseti ribonukleotidů komplementárních k rodičovské DNA. Tento úsek RNA (znázorněný zeleně) se označuje RNA primer. Poté již může DNA polymeráza III přidávat deoxyribonukleotidy a budovat nový komplementární řetězec podle vzorů jednovláknových řetězců.

Jelikož jsou však obě vlákna původní DNA antiparalelní, jdou orientovány v opačných směrech a nové řetězce musí tudíž být prodlužovány různými mechanismy. Vedoucí řetězec se spojitě prodlužuje směrem replikační vidličce vytvářené helikázou průběžným přidáváním nukleotidů ke svému rostoucímu 3’ konci. Zpožďujíc se řetězec se oproti tomu prodlužuje směrem od replikační vidličky a je tvořený nespojitě jako posloupnost krátkých úseků, označovaných Okazakiho fragmenty. Jakmile DNA polymeráza III dosáhne RNA primeru na zpožďujícím se řetězci, v syntéze pokračuje DNA polymeráza I, která odstraní RNA primer a nahradí jej DNA analogem. Napojení úseků DNA dokončí DNA ligáza. Jak se DNA průběžně rozvíjí, na zpožďující se vlákno se napojují nové a nové primery a DNA polymeráza III se skoky přesouvá podél vlákna, aby začala tvořit další Okazakiho fragmenty.

Pro zjednodušení byla dosud DNA polymeráza III znázorňována jako oddělené jednotky, jedna z nich působila na vedoucím řetězci a druhá na zpožďujícím se vláknu. DNA polymeráza III je tvořena dvojicí funkčních podjednotek, které replikují souběžně oba řetězce DNA. Zdroj: Raven P. H., Johnson G. B., Losos J., Singer S: Biology, Seventh Edition, McGraw-Hill Higher Education, 2005. (swf, 1 MB)

Literatura