Международная группа исследователей под руководством Ньюкаслского университета в Англии разработала инновационный вычислительный инструмент. Он значительно повышает надёжность сборки ДНК- и РНК-оригами, позволяя учёным заранее выявлять и учитывать нежелательные взаимодействия между фрагментами генетического материала. Результаты этой работы опубликованы в научном журнале Nature Communications.
Что такое ДНК-оригами
Метод ДНК-оригами представляет собой технологию молекулярной инженерии. В его основе лежит процесс самосборки заданных наноструктур из длинной «каркасной» цепи ДНК и большого количества коротких «скрепляющих» цепочек (staples). При нагреве смеси с последующим медленным охлаждением короткие фрагменты находят свои комплементарные участки на каркасе, «сшивая» его в заранее запрограммированную двух- или трёхмерную фигуру.
Однако на практике этот процесс далеко не всегда проходит гладко. Значительная часть структур формируется с дефектами. Проблема кроется в нежелательных перекрёстных взаимодействиях: отдельные цепочки ДНК могут «перехватывать» друг друга, уводя систему в ошибочные пути сборки. В результате даже при идеально проработанной архитектуре выход годных конструкций оказывается низким.
Как работает новый алгоритм
Для борьбы с кинетическими ловушками — состояниями, в которых сборка застревает на ошибочных промежуточных этапах, — была создана специальная вычислительная модель. Алгоритм анализирует последовательности ДНК и предсказывает, какие именно участки наиболее склонны к побочным взаимодействиям. Система одновременно оптимизирует выбор «каркасной» последовательности и размещение «скрепляющих» звеньев.
Варианты последовательности ДНК-оригами в форме треугольника: изображения на агарозном геле и АСМ. Источник: Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467–026–73387–4
Результаты тестирования
Эффективность модели проверили на ряде двухмерных и трёхмерных наноструктур. Эксперименты подтвердили, что конструкции, спроектированные с учётом «конфликтных» зон, собираются корректно гораздо чаще. При этом неоптимизированные варианты, несмотря на идентичную геометрию, демонстрировали высокий процент брака.
Авторы исследования отмечают: ключевым фактором успеха является не только общая геометрия объекта, но и выбор конкретной последовательности нуклеотидов. Долгое время этот параметр считался вторичным по сравнению с общей схемой конструкции, однако именно он определяет стабильность итогового изделия.
Профессор Наталио Красногор (Natalio Krasnogor) подчеркивает, что такой подход позволяет оптимизировать сразу несколько критериев сборки, повышая однородность и эффективность получаемых наноструктур. Современные методы ДНК-оригами часто полагаются на случайный выбор каркаса, что объясняет нестабильные результаты разных лабораторий при схожих условиях.
Перспективы применения
Разработанный инструмент уже активно используется для подбора наборов «коротких цепочек». В будущем исследователи планируют применять технологию для создания сложных наноконтейнеров, способных доставлять биологические молекулы, включая мРНК, непосредственно в клетки организма.
Данная работа демонстрирует важный сдвиг в научном сообществе: ДНК-оригами всё чаще рассматривается не просто как экспериментальный метод самосборки, а как высокоточная система, требующая детального вычислительного проектирования на уровне нуклеотидных последовательностей.
