Podwójna helisa DNA składa się z dwóch cząsteczek DNA, których sekwencje są względem siebie komplementarne. Stabilność dupleksu można dostroić w laboratorium, kontrolując ilość i lokalizację niedoskonałych sekwencji komplementarnych. Markery fluorescencyjne związane z jedną z pasujących nici DNA sprawiają, że dupleks jest widoczny, a intensywność fluorescencji wzrasta wraz ze wzrostem stabilności dupleksu. Teraz naukowcom z Uniwersytetu Wiedeńskiego udało się stworzyć fluorescencyjne dupleksy, które mogą generować dowolny z 16 milionów kolorów, co przekracza poprzednie ograniczenie wynoszące 256 kolorów. Ta bardzo duża paleta pozwala na „malowanie” DNA i dokładne odwzorowanie dowolnego obrazu cyfrowego na miniaturowej powierzchni 2D z 24-bitową głębią kolorów. Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Journal of the American Chemical Society.
Unikalna zdolność komplementarnych sekwencji DNA do rozpoznawania i łączenia w postaci dupleksów to biochemiczny mechanizm odczytywania i kopiowania genów. Zasady tworzenia dupleksu (zwanego także hybrydyzacją) są proste i niezmienne, dzięki czemu są przewidywalne i programowalne. Programowanie hybrydyzacji DNA umożliwia składanie syntetycznych genów i budowanie nanostruktur na dużą skalę. Proces ten zawsze opiera się na doskonałej komplementarności sekwencji. Niestabilność programowania znacznie rozszerza nasze możliwości manipulowania strukturą molekularną i ma zastosowania w dziedzinie terapii DNA i RNA. W tym nowatorskim badaniu naukowcy z Instytutu Chemii Nieorganicznej Uniwersytetu Wiedeńskiego wykazali, że kontrolowana hybrydyzacja może skutkować utworzeniem 16 milionów kolorów i umożliwia dokładne odtworzenie dowolnego obrazu cyfrowego w formacie DNA.
Płótno wielkości paznokcia
Aby stworzyć kolor, różne małe nici DNA połączone z cząsteczkami fluorescencyjnymi (markerami), które mogą emitować kolor czerwony, zielony lub niebieski, hybrydyzują z długą komplementarną nicią DNA na powierzchni. Aby zróżnicować intensywność każdego koloru, stabilność dupleksu obniża się poprzez ostrożne usuwanie zasad nici DNA we wcześniej określonych pozycjach sekwencji. Z niższą stabilnością wiąże się ciemniejszy odcień koloru, a dostrojenie tej stabilności skutkuje utworzeniem 256 odcieni dla wszystkich kanałów kolorów. Wszystkie odcienie można mieszać i dopasowywać w ramach jednego dupleksu DNA, generując w ten sposób 16 milionów kombinacji i dopasowując się do złożoności kolorów współczesnych obrazów cyfrowych. Aby osiągnąć taki poziom precyzji konwersji DNA na kolor, należało zsyntetyzować > 45 000 unikalnych sekwencji DNA.
W tym celu zespół badawczy zastosował metodę równoległej syntezy DNA zwaną syntezą macierzy bez maski (MAS). Dzięki MAS można syntetyzować setki tysięcy unikalnych sekwencji DNA w tym samym czasie i na tej samej powierzchni – miniaturowym prostokącie wielkości paznokcia. Ponieważ podejście to pozwala eksperymentatorowi kontrolować lokalizację dowolnej sekwencji DNA na tej powierzchni, odpowiedni kolor można również selektywnie przypisać do wybranego miejsca. Automatyzując proces za pomocą dedykowanych skryptów komputerowych, autorzy byli w stanie przekształcić dowolny obraz cyfrowy w kserokopię DNA z dokładnym odwzorowaniem kolorów. „Zasadniczo nasza powierzchnia syntezy staje się płótnem do malowania cząsteczkami DNA w skali mikrometrowej” – mówi Jory Lietard, kierownik naukowy w Instytucie Chemii Nieorganicznej.
Rozdzielczość jest obecnie ograniczona do XGA, ale proces reprodukcji dotyczy rozdzielczości obrazu 1080p, a także potencjalnie 4K. „Poza obrazowaniem kod koloru DNA może mieć bardzo przydatne zastosowania w przechowywaniu danych w DNA” – mówi Tadija Kekiő, doktorantka w grupie Jory’ego Lietarda. Jak pokazała Nagroda Nobla w 2023 roku przyznana za rozwój kropek kwantowych, chemia koloru ma przed sobą świetlaną przyszłość.
Praca ta była wspierana finansowo przez Austriacki Fundusz Naukowy (projekty FWF I4923, P34284, P36203 i TAI687).