НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Управляемая ДНК сборка структур: возможности организации производства

М. Дж. Хелпер[22]

Различные технологии с использованием ДНК-чипов и ДНК-микроматриц могут сразу же найти применение в исследованиях по генетике и диагностике, а также сыграть важную роль в организации нанотехнологических произ­водств. ДНК-чипы и ДНК-матрицы представляют собой разнообразные уст­ройства, в которых различные цепи ДНК закреплены в микроскопическом формате на твердотельном носителе (стекло, кремний, пластик и т. д.). ДНК - матрицы могут включать от 100 до 100 тысяч различных сайтов (малых участ­ков) ДНК на поверхности чипа. В зависимости от типа чипов размер этих сай­тов может меняться в пределах от 10 мкм (возможно закрепление и более мел­ких сайтов) до свыше 100 мкм, причем каждый сайт содержит от 106 до 109 аминокислотных последовательностей ДНК. В пробах ДНК-гибридизации матрица ДНК контактирует с раствором образца, содержащим неизвестные целевые последовательности ДНК. Если любая из последовательностей ком-

Молекулярнії' I ЩЯ

Устройства

О

Прикрепление

Днк'

II11II 111 Цепь ДНК

» *

Электронные «захват' и установка»

X.

Ч \ , Ш Ш. Ш

- - т

К шшш

«электронная объединяющая

Іжка (матрица)

Рис. 4.6. Управляемое создание наноструктур на чипах (фирма Nanogen, Inc).

Пдементарна последовательностям на матрице, происходит гибридизация, и неизвестная последовательность определяется по ее положению на матрице. К разработке ДНК-чипов и ДНК-матриц подключились многие компании, в том числе Affimetrix, РЕ Applied Biosystems, HySeq, Nanogen, Incyte, Molecular Dynamics и Genometrix. Производимые ими устройства с ДНК-чипами уже используются в исследованиях геномов, фармакогенетике, разработке новых лекарств, анализе генов, судебно-медицинской практике, а также диагности­ке инфекционных, наследственных и раковых заболеваний.

Новые поколения электронно активных микроматриц ДНК (разработку ко­торых проводит фирма Nanogen), которые создают регулируемые электрические поля на каждом сайте, перспективны для организации нанопроизводства. Такие активные микроэлектронные устройства способны переносить заряженные мо­лекулы (ДНК, РНК, белки, ферменты), наноструктуры, клетки и частицы мик­рометрового размера с заданного сайта на поверхность устройства или наоборот. При проведении реакции гибридизации ДНК такие устройства создают элект­рические поля, направляющие самосборку молекул ДНК на определенных сай­тах поверхности чипа. Эти активные устройства служат основой для объедине­ния молекул ДНК в более сложные трехмерные структуры. Молекулы ДНК са­ми по себе проявляют способность к самосборке и могут быть модифицированы различными молекулярными электронными или фотонными агентами. Моле­кулы ДНК могут быть присоединены к более крупным наноструктурам, включая металлические и органические частицы, углеродные нанотрубки, микрострукту­ры и кремниевые поверхности. В принципе, активные микроэлектронные мат­рицы и ДНК-модифицированные компоненты позволяют ученым и инженерам осуществлять самосборку двухмерных и трехмерных молекулярных электрон­ных схем и устройств на заданных участках более крупных кремниевых или по­лупроводниковых структур (рис. 4.6). Таким образом, технология электронно управляемой ДНК самосборки имеет широкую область возможных примене­ний. В ближайшем будущем она может быть использована для изготовления фо­
тонных и микроэлектронных устройств, а в дальней перспективе — для нано- производства молекулярных электрических цепей и устройств.