Внеклеточные транскрипционно-трансляционные циклы с участием ДНК предоставляют возможность разработки синтетических биохимических систем, которые могут упростить понимание процессов и функций живых систем. Кроме того, комбинированные "ДНК-нанотехнологии" могут способствовать созданию новых наноустройств. Каскадное умножение сигнала является базовым элементом таких "бесклеточных" циклов, но если работа проводится в растворе или в гомогенных гелях, контроль над таким каскадом очень ограничен. Для того, чтобы снять это ограничение, нужно локализовать биосинтез на поверхности.
Это можно сделав, создав "ДНК - щетку", представляющую собой двойные спирали ДНК, присоединенные к твердой поверхности, то есть фактически набор элементарных блоков для генерации белков на поверхности подложки. Плотность ДНК на поверхности можно контролировать в ходе нанесения щетки, при этом характерное расстояние между цепочками ДНК - 20-30 нм. Возможность изменять поверхностную плотность плотность расположения также важна при изучении такой искусственной биологической системы.
На Рис. 1 показан способ конструирования ДНК-щетки. На стеклянную поверхность наносится монослой гибридных молекул ("ромашек"), состоящих из цепочки полиэтиленгликоля (ПЭГ) со связывающей группой SiO2 на одном конце и амином с фотолабильной защитой на другом. Аминогруппы можно локально лишить защиты при облучении УФ светом с длиной волны 365 нм. Затем на лишенные защиты амины через N-гиброксисукцинамид (эфир) пришивается биотин, а затем через стрептавидин к ним пришиваются фрагменты ДНК, также обработанные биотином. Контролируя УФ - обработку, можно контролировать плотность нанесения ДНК.
На Рис. 2. показано расщепление щеток ДНК различной плотности. При этом используются ДНК, состоящие из 200 и из 1130 пар оснований (ПО) с распознающей последовательностью, расположенной близко к верхнему или нижнему концу цепочки. На "тупом" конце ДНК располагаются специфические ферменты (BamHI, полый кружок, и EcoRV, полый квадрат), кофакторами для которых выступают ионы Mg2+. Конец ДНК маркировали флуорофором Alexa-fluor-647 (звездочка). О переработке ДНК судили по прекращению люминесценции (Рис. 2b). При этом переработка ДНК из 200 ПО завершается за 10 мин (Рис. 2с), а из 1130 ПО - в зависимости от расположения EcoRV: когда он расположен сверху, процесс завершается за 10 мин (Рис. 2d), а когда снизу - только за 30 мин (Рис. 2е).
Подобный экспериментальный подход открывает путь не только к изучению рассмотренных (и подобных им) элементарных процессов и получению фундаментальных знаний, но и дает возможность создания "умных поверхностей", а также молекулярных машин, выполняющих контролируемым образом заданные для них полезные функции.
