DNK origami

[thumbnail| DNK origami objekt od virusne DNK vizualiziran [elektronska tomografija|elektronskom tomografijom. The map is at the top and atomic model of the DNA colored below. (Deposited in EMDB EMD-2210) ]]

**DNK origami** je nanoskalno savijanje DNK radi stvaranja proizvoljnih dvodimenzijskih i trodimenzijskih oblika na nanoskali. Specifičnost interakcija između komplementarnih baznih parova čini DNK korisnim građevinskim materijalom, kroz dizajn njenih baznih sekvenci. DNK je dobro shvaćen materijal koji je pogodan za stvaranje skeleta koji drže druge molekule na mjestu ili za stvaranje samostalnih struktura.

DNK origami bio je naslovna priča u  časopisu *Nature* 16. marta 2006. Od tada, DNK origami je prerastao okvire umjetnosti i pronašao brojne primjene, od sistema za isporuku lijekova do upotrebe kao sklopova u plazmoničnim uređajima; međutim, većina komercijalnih primjena ostaje u fazi koncepta ili testiranja.

## Pregled 
Ideju o korištenju DNK kao građevinskog materijala prvi put je predstavio Nadrian Seeman početkom 1980-ih]]. Metod DNK origamija razvio je Paul Rothemund na Kalifornijskom tehnološkom institutu. Za razliku od uobičajenih metoda fabrikacije od vrha prema dolje, kao što su 3D printanje ili litografija, koje uključuju nanošenje ili uklanjanje materijala pomoću alata, DNK nanotehnologija, kao i DNK origami kao podskup, je metoda fabrikacije od dna prema vrhu. Racionalnim dizajniranjem sastavnih podjedinica DNK polimera, DNK se može samostalno sastaviti u različite oblike. Proces konstruisanja DNK origamija uključuje savijanje dugog jednostrukog lanca virusne DNK (obično genomske DNK od 7.249 bp bakteriofaga M13) uz pomoć više manjih "spajalica" lanaca. Ovi kraći lanci vežu duže na različitim mjestima, što rezultira formiranjem unaprijed definiranog dvo- ili trodimenzijskog oblika. Primjeri uključuju nasmijano lice i grubu kartu Kine i Amerike, zajedno s mnogim trodimenzijskim strukturama poput kocki.

Postoji nekoliko svojstava DNK koja čine molekulu idealnim građevinskim materijalom za DNK origami. Nizovi DNK imaju prirodnu tendenciju da se vežu za svoje komplementarne sekvence putem Watson-Crickovog baznog para. Ovo omogućava osnovnim nitima da lociraju poziciju na lancu skele bez ikakve vanjske manipulacije, što dovodi do samosastavljanja željene strukture.

Specifičan niz baza u DNK daje materijalu element programabilnosti određivanjem njegovog ponašanja vezivanja. Pažljivo dizajniranje sekvenci osnovnih niti omogućava naučnicima da precizno usmjere savijanje lanca skele u unaprijed određeni oblik sa visokom preciznošću.

Na hemijskom nivou, vodonične veze koje postoje između komplementarnih baznih parova pružaju čvrstoću i stabilnost presavijenim origami strukturama DNK. Osim toga, DNK je relativno stabilan molekul, nudeći otpornost u fiziološkim uslovima.

Jedna od prednosti korištenja DNK origami nanostruktura u odnosu na inače klasifikovanu DNK nanostrukturu je jednostavnost definisanja konačnih struktura. Prilikom dizajniranja nekih drugih DNK nanostruktura, može biti nepraktično dizajnirati izuzetno veliki broj individualiziranih lanaca ako je cijela struktura sastavljena od manjih lanaca. Jedan od načina zaobilaženja potrebe za ogromnim brojem različitih lanaca je korištenje ponavljajućih jedinica, što dolazi s nedostatkom distribucije veličina, a ponekad i oblika. Međutim, DNK origami formira diskretne strukture.

Nakon pažljivog planiranja sekvence osnovnih niti pomoću softvera kako bi se osiguralo da se vežu za lanac skele na predviđenim tačkama, dizajnirane sekvence osnovnih niti se sintetiziraju u laboratoriji korištenjem tehnika poput automatizirane sinteze DNK. Konačno, lanac skele i osnovne niti se miješaju u puferskom rastvoru i podvrgavaju određenom temperaturnom ciklusu. Ovaj ciklus omogućava osnovnim nitima da pronađu svoje komplementarne sekvence na lancu skele i vežu se putem vodikove veze, uzrokujući da se skela savije u željeni oblik. Iako se ovi metodi najčešće koriste, postoje i dodatni za kreiranje dinamičkih DNK omašina, kao što je dizajniranje usmjerene komponente i korištenje Brownovog kretanja za pokretanje rotacijskog kretanja struktura. ili korištenjem manje uobičajeno korištenih fenomena samosklapanja DNK poput G-kvadripleksa ili i-motiva koji mogu biti pH vrijednosti.

thumb|Dinamička mašina DNK origamija koja koristi usmjerenu komponentu i Brownovo kretanje za generiranje rotacije.
Modifikacije se mogu koristiti i za utjecaj na strukturna svojstva, za davanje jedinstvene kemije nanostrukturama ili za dodavanje stimulativnih odgovora nanostrukturama. Modifikacije struktura mogu se izvršiti konjugacijom molekula poput proteina ili hemijskom modifikacijom samih DNK baza. Reakcije zavisne od pH, reakcije zavisne od svjetlosti i još mnogo toga prikazane su kroz modificirane sisteme.

Jedan primjer primjene stvaranja dinamičkih struktura je sposobnost da se dobije stimulativni odgovor koji rezultira oslobađanjem lijeka, što je predstavljeno od strane nekoliko grupa. Druge, manje uobičajene primjene dolaze u detekciji mehanizama kretanja in vivo, kao što je odmotavanje helikaza.

## Biomedicinske primjene 
DNK origami, budući da je napravljen od prirodnog biološkog polimera, dobro je prilagođen biološkom okruženju kada koncentracije soli to dozvoljavaju,

Istraživači na Univerzitetu Harvard Wyss institut izvijestili su o samosastavljajućim i samouništavajućim posudama za isporuku lijekova koristeći DNK origami u laboratorijskim testovima. DNK nanorobot koji su kreirali je otvorena DNK cijev sa šarkom na jednoj strani koja se može zatvoriti. DNK cijev napunjena lijekom drži zatvorenu DNK aptamer, konfiguriran da identificira i traži određene oboljele proteine. Kada origami nanoroboti dođu do zaraženih ćelija, aptameri se raspadaju i oslobađaju lijek. Prvi model bolesti koji su istraživači koristili bili su leukemija i limfom.

Istraživači u Nacionalnom centru za nanoznanost i tehnologiju u Pekingu i Državnom univerzitetu Arizona izvijestili su o DNK origami transportnom vozilu za doksorubicin, dobro poznati lijek protiv raka. Lijek je nekovalentno vezan za DNK origami nanostrukture putem interkalacije i postignuta je visoka koncentracija lijeka. Kompleks DNK-doksorubicin apsorbirale su ćelije raka adenokarcinoma dojke kod ljudi (MCF-7) putem ćelijske internalizacije sa mnogo većom efikasnošću nego doksorubicina u slobodnom obliku. Povećanje aktivnosti ubijanja ćelija uočeno je ne samo u regularnim MCF-7, već, što je još važnije, i u ćelijama otpornim na doksorubicin. Naučnici su teoretizirali da DNK origami napunjen doksorubicinom inhibira zakiseljavanje lizosoma, što rezultira ćelijskom preraspodjelom lijeka na mjesta djelovanja, čime se povećava citotoksičnost protiv tumorskih ćelija. Dalja testiranja *in vivo* na miševima sugeriraju da je doksorubicin tokom perioda od 12 dana bio efikasniji u smanjenju veličine tumora kod miševa kada je bio sadržan u DNK origami nanostrukturama ili DON-ovima.

Istraživači sa Massachusetts Institute of Technology razvijaju metod za vezivanje različitih virusnih antigena na DNK čestice u obliku virusa kako bi imitirali virus, a koja će se koristiti za razvoj novih vakcina. Ovo je započeto 2016. [godine kada je Batheova laboratorija kreirala algoritam poznat kao DAEDALUS (Algoritam za dizajn DNK origami sekvence za korisnički definirane strukture) za generiranje precizno kontrolisanih trodimenzionzijskih oblika DNK. Koristeći alat, dizajnirali su skelu u obliku virusa koja može modularno pričvrstiti različite antigene na površinu DNK skele. Trenutno, MIT radi na razvoju optimalnih geometrija za B-ćelije kako bi prepoznale HIV antigene. Dalja istraživanja su pokušala zamijeniti HIV antigene sa SARS-CoV-2 i testiraju da li vakcine pokazuju odgovarajući imunski odgovor iz izolovanih B ćelija i kod miševa.
[thumb| Dijagram DNK origamija koji se veže za antigene kako bi se generirali programabilni angažatori [T-ćelija.]]
Slično tome, istraživači sa Tehničkog univerziteta u Minhenu razvili su metod za ciljanje T-ćelija tumorskih ćelija, korištenjem DNK origamija obloženog antigenom. Istraživači su razvili metod za stvaranje šasija poznatih kao programabilni T-ćelijski angažeri ili (PTE), koji predstavljaju DNK origami strukture koje se mogu konfigurirati za vezivanje za korisnički definirane ciljne ćelije i T-ćelije na osnovu kojih su antigeni premazani na površinama nanostrukture. Rezultati *in vitro* pokazuju da je nakon 24 sata izlaganja uništeno 90% tumorskih ćelija. U međuvremenu, *in vivo* testiranje je pokazalo da su njihovi PTE-ovi bili sposobni da se vežu za ciljne proteine nekoliko sati, što potvrđuje mehanizam koji su dizajnirali.

## Primjene nanotehnologije 
U literaturi su predložene mnoge potencijalne primjene, uključujući imobilizaciju enzima, sisteme za isporuku lijekova i nanotehnološko samosastavljanje materijala. Iako DNK nije prirodan izbor za izgradnju aktivnih struktura za nanorobotske primjene, zbog nedostatka strukturne i katalitičke svestranosti, nekoliko radova je ispitalo mogućnost molekularnih hodalica na origamiju i prekidača za algoritamsko računanje.  U sljedećim paragrafima navedene su neke od prijavljenih primjena provedenih u laboratorijama s kliničkim potencijalom.

U studiji koju je provela grupa naučnika iz iNANO centra i CDNA Centra na Univerzitetu Aarhus, istraživači su uspjeli konstruirati mali višestruko preklopni 3D DNK kutijski origami. Predložena nanočestica je okarakterizirana AFM, TEM i FRET. Pokazalo se da konstruirana kutija ima jedinstveni mehanizam ponovnog zatvaranja, koji joj je omogućio da se više puta otvara i zatvara kao odgovor na jedinstveni skup DNK ili RNK ključeva. Autori su predložili da se ovaj "DNK uređaj potencijalno može koristiti za širok raspon primjena kao što su kontrola funkcije pojedinačnih molekula, kontrolirana isporuka lijekova i molekularno računarstvo".
thumb|Dijagram molekularnog samo-sastavljanja DNK origami struktura za nanotehnološke primjene.
Nanoroboti napravljeni od DNK origamija demonstrirali su računarske kapacitete i završili unaprijed programirane zadatke unutar živog organizma, što je prijavio tim bioinženjera sa Wyss instituta na Univerzitetu Harvard i Instituta za nanotehnologiju i napredne materijale na Univerzitetu Bar-Ilan. Kao dokaz koncepta, tim je ubrizgao različite vrste nanobota (uvijena DNK koja oblaže molekule sa fluorescentnim markerima) u žive žohare. Praćenjem markera unutar žohara, tim je otkrio tačnost isporuke molekula (koje oslobađa neuvijena DNK) u ciljne ćelije, a interakcije između nanorfobota i kontrole su ekvivalentne računarskom sistemu. Složenost logičkih operacija, odluka i akcija raste sa povećanjem broja nanorobota. Tim je procijenio da se računarska snaga žohara može povećati do snage 8-bitnog računara.

Istraživačka grupa na Indijskom institutu za nauku koristila je nanostrukture za razvoj platforme za razjašnjavanje koaksijalnog slaganja između DNK baza. Ovaj pristup koristio je mikroskopiju super rezolucije zasnovanu na DNK-BOJI za vizualizaciju ovih DNK nanostruktura i izvršio analizu kinetike vezivanja DNK kako bi razjasnio fundamentalnu silu slaganja baza koja pomaže u stabilizaciji dvostruke spiralne strukture DNK. Nastavili su sastavljati multimerne DNK-origami nanostrukture nazvane 'trokraka zvijezda' u tetraedarsku 3D-origami strukturu. Sastavljanje se uglavnom oslanjalo na interakcije slaganja baza između svake podjedinice. Grupa je dalje pokazala da se znanje o takvim interakcijama može koristiti za predviđanje i time podešavanje relativne stabilnosti ovih multimernih DNK nanostruktura.

## Slični pristupi 
Pojavila se i ideja korištenja dizajna proteina za postizanje istih ciljeva kao i kod DNK origamija. Istraživači Nacionalnog instituta za hemiju u Sloveniji rade na korištenju racionalnog dizajna savijanja proteina kako bi stvorili strukture slične onima koje se vide kod DNK origamija. Glavni fokus trenutnih istraživanja u dizajnu savijanja proteina je na polju isporuke lijekova, korištenjem antitijela vezanih za proteine kao načina za stvaranje ciljanog nosača.

## Također pogledajte
* RNK origami
* DNK nanotehnologija
* Molekularno samosklapanje
* Origami

## Reference 
## Dopunska literatura 
* 

Kategorija:DNK
Kategorija:Genetičke tehnike
Kategorija:Nanotehnologija