Дизайн нуклеиновой кислоты
Дизайн нуклеиновой кислоты — это процесс создания набора последовательностей оснований нуклеиновой кислоты , которые будут ассоциироваться в желаемой конформации. Дизайн нуклеиновых кислот занимает центральное место в областях ДНК-нанотехнологий и ДНК-компьютеров . [2] Это необходимо, поскольку существует множество возможных последовательностей нитей нуклеиновой кислоты, которые будут складываться в данную вторичную структуру , но многие из этих последовательностей будут иметь нежелательные дополнительные взаимодействия, которых следует избегать. Кроме того, существует множество факторов третичной структуры , которые влияют на выбор вторичной структуры для данной конструкции. [3] [4]
Дизайн нуклеиновых кислот преследует те же цели, что и дизайн белков : в обоих случаях последовательность мономеров рационально проектируется так, чтобы отдавать предпочтение желаемой свернутой или ассоциированной структуре и не допускать альтернативных структур. Однако дизайн нуклеиновых кислот имеет то преимущество, что представляет собой гораздо более простую в вычислительном отношении задачу, поскольку простота правил спаривания оснований Уотсона-Крика приводит к простым эвристическим методам, которые дают экспериментально надежные конструкции. Вычислительные модели сворачивания белков требуют информации о третичной структуре , тогда как дизайн нуклеиновых кислот может работать в основном на уровне вторичной структуры . Однако структуры нуклеиновых кислот менее универсальны по своей функциональности, чем белки. [2] [5]
Дизайн нуклеиновой кислоты можно считать обратным предсказанию структуры нуклеиновой кислоты . При предсказании структуры структура определяется на основе известной последовательности, тогда как при проектировании нуклеиновой кислоты создается последовательность, которая образует желаемую структуру. [2]
Фундаментальные понятия [ править ]
Структура нуклеиновых кислот состоит из последовательности нуклеотидов . Различают четыре типа нуклеотидов, различающихся тем, какое из четырех нуклеиновых оснований они содержат: в ДНК это аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) и тимин (Т). Нуклеиновые кислоты обладают свойством, заключающимся в том, что две молекулы связываются друг с другом с образованием двойной спирали только в том случае, если две последовательности комплементарны , то есть они могут образовывать совпадающие последовательности пар оснований . Таким образом, в нуклеиновых кислотах последовательность определяет характер связывания и, следовательно, общую структуру. [5]
Дизайн нуклеиновой кислоты — это процесс, с помощью которого, учитывая желаемую целевую структуру или функциональность, генерируются последовательности для цепей нуклеиновой кислоты, которые будут самособираться в эту целевую структуру. Дизайн нуклеиновой кислоты охватывает все уровни структуры нуклеиновой кислоты :
- Первичная структура — необработанная последовательность нуклеиновых оснований каждой из составляющих цепей нуклеиновой кислоты;
- Вторичная структура — совокупность взаимодействий между основаниями, т. е. какие части каких нитей связаны друг с другом; и
- Третичная структура — расположение атомов в трехмерном пространстве с учетом геометрических и стерических ограничений.
Одной из самых больших проблем при проектировании нуклеиновых кислот является обеспечение того, чтобы целевая структура имела наименьшую свободную энергию (т.е. была наиболее термодинамически выгодной), тогда как неправильно сформированные структуры имели более высокие значения свободной энергии и, таким образом, не были предпочтительными. [2] Эти цели могут быть достигнуты за счет использования ряда подходов, в том числе эвристического , термодинамического и геометрического. Почти все задачи по проектированию нуклеиновых кислот выполняются с помощью компьютеров, и для многих из этих задач доступен ряд пакетов программного обеспечения.
Два соображения при проектировании нуклеиновых кислот заключаются в том, что желаемые гибридизации должны иметь температуры плавления в узком диапазоне, а любые ложные взаимодействия должны иметь очень низкие температуры плавления (т.е. они должны быть очень слабыми). [5] Существует также контраст между «позитивным дизайном», оптимизирующим сродство, стремящимся минимизировать энергию желаемой структуры в абсолютном смысле, и «негативным дизайном», оптимизирующим специфичность, который учитывает энергию целевой структуры относительно энергии нежелательной структуры. структуры. Алгоритмы, реализующие оба типа проектирования, обычно работают лучше, чем те, которые учитывают только один тип. [2]
Подходы [ править ]
Эвристические методы [ править ]
Эвристические методы используют простые критерии, которые можно быстро оценить, чтобы судить о пригодности различных последовательностей для данной вторичной структуры. Их преимущество заключается в том, что они гораздо менее затратны в вычислительном отношении, чем алгоритмы минимизации энергии , необходимые для термодинамического или геометрического моделирования, и их легче реализовать, но за счет меньшей строгости, чем эти модели.
Минимизация симметрии последовательностей является старейшим подходом к дизайну нуклеиновых кислот и впервые была использована для создания неподвижных версий разветвленных структур ДНК. Минимизация симметрии последовательности делит последовательность нуклеиновой кислоты на перекрывающиеся подпоследовательности фиксированной длины, называемой длиной критерия. Каждый из 4 Н возможные подпоследовательности длины N могут появляться в последовательности только один раз. Это гарантирует, что не произойдет нежелательной гибридизации, длина которой больше или равна длине критерия. [2] [3]
Сопутствующий эвристический подход заключается в рассмотрении «расстояния несоответствия», означающего количество позиций в определенном кадре, где основания не являются дополнительными . Увеличение расстояния несоответствия уменьшает вероятность возникновения сильного ложного взаимодействия. [5] Это связано с понятием расстояния Хэмминга в теории информации . Другой родственный, но более сложный подход заключается в использовании методов теории кодирования для конструирования последовательностей нуклеиновых кислот с желаемыми свойствами.
Термодинамические модели [ править ]
Информация о вторичной структуре комплекса нуклеиновой кислоты вместе с его последовательностью может быть использована для прогнозирования термодинамических свойств комплекса.
Когда термодинамические модели используются при проектировании нуклеиновых кислот, обычно учитываются два соображения: желаемая гибридизация должна иметь температуры плавления в узком диапазоне, а любые ложные взаимодействия должны иметь очень низкие температуры плавления (т.е. они должны быть очень слабыми). идеально Свободную энергию Гиббса подобранного дуплекса нуклеиновой кислоты можно предсказать с помощью модели ближайшего соседа . Эта модель учитывает только взаимодействия между нуклеотидом и его ближайшими соседями по цепи нуклеиновой кислоты путем суммирования свободной энергии каждого из перекрывающихся двухнуклеотидных подслов дуплекса. Затем это корректируется на самодополняющие мономеры и на содержание GC . Зная свободную энергию, можно определить температуру плавления дуплекса. Само по себе содержание GC также можно использовать для оценки свободной энергии и температуры плавления дуплекса нуклеиновой кислоты. Это менее точно, но и гораздо менее затратно в вычислительном отношении. [5]
Программное обеспечение для термодинамического моделирования нуклеиновых кислот включает Nupack , [6] [7] mfold/UNAFold , [8] и Вена . [9]
Связанный подход, обратное предсказание вторичной структуры, использует стохастический локальный поиск, который улучшает последовательность нуклеиновой кислоты за счет запуска алгоритма предсказания структуры и модификации последовательности для устранения нежелательных особенностей. [5]
Геометрические модели [ править ]
Геометрические модели нуклеиновых кислот используются для предсказания третичной структуры . Это важно, поскольку сконструированные комплексы нуклеиновых кислот обычно содержат несколько точек соединения, что накладывает геометрические ограничения на систему. Эти ограничения проистекают из базовой структуры нуклеиновых кислот , главным образом из-за того, что двойная спираль, образованная дуплексами нуклеиновых кислот, имеет фиксированную спиральность около 10,4 пар оснований на виток и является относительно жесткой . Из-за этих ограничений комплексы нуклеиновых кислот чувствительны к относительной ориентации больших и малых бороздок в точках соединения. Геометрическое моделирование позволяет обнаружить деформации , возникающие из-за несоосности конструкции, которые затем могут быть исправлены проектировщиком. [4] [11]
Геометрические модели нуклеиновых кислот для нанотехнологий ДНК обычно используют сокращенные представления нуклеиновой кислоты, поскольку моделирование каждого атома было бы очень дорогостоящим в вычислительном отношении для таких больших систем. Сообщается, что модели с тремя псевдоатомами на пару оснований, представляющие два основных сахара и ось спирали, имеют достаточный уровень детализации для прогнозирования экспериментальных результатов. [11] Однако также используются модели с пятью псевдоатомами на пару оснований, явно включающие фосфаты основной цепи. [12]
Программное обеспечение для геометрического моделирования нуклеиновых кислот включает GIDEON , [11] Тиамат , [13] Наноинженер-1 ,и УНИКИМЕР 3D . [14] Геометрические вопросы особенно интересны при проектировании ДНК-оригами , поскольку последовательность предопределена выбором цепи каркаса. Специально для проектирования ДНК-оригами создано программное обеспечение, в том числе caDNAno. [15] и САРСЕ . [16]
Приложения [ править ]
Дизайн нуклеиновой кислоты используется в нанотехнологиях ДНК для создания нитей, которые будут самособираться в желаемую целевую структуру. К ним относятся такие примеры, как ДНК-машины , периодические двух- и трехмерные решетки, многогранники и ДНК-оригами . [2] Его также можно использовать для создания наборов цепей нуклеиновых кислот, которые являются «ортогональными» или не взаимодействующими друг с другом, чтобы минимизировать или устранить ложные взаимодействия. Это полезно при вычислениях ДНК , а также в приложениях молекулярного штрих-кодирования в химической биологии и биотехнологии . [5]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Мао, Чэндэ (декабрь 2004 г.). «Возникновение сложности: уроки ДНК» . ПЛОС Биология . 2 (12): 2036–2038. дои : 10.1371/journal.pbio.0020431 . ISSN 1544-9173 . ПМЦ 535573 . ПМИД 15597116 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г Диркс, Роберт М.; Лин, Майло; Уинфри, Эрик; Пирс, Найлз А. (2004). «Парадигмы вычислительного дизайна нуклеиновых кислот» . Исследования нуклеиновых кислот . 32 (4): 1392–1403. дои : 10.1093/nar/gkh291 . ПМК 390280 . ПМИД 14990744 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Симан, Н. (1982). «Соединения и решетки нуклеиновых кислот». Журнал теоретической биологии . 99 (2): 237–47. Бибкод : 1982JThBi..99..237S . дои : 10.1016/0022-5193(82)90002-9 . ПМИД 6188926 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Шерман, В; Симан, Н. (2006). «Дизайн минимально напряженных нанотрубок нуклеиновых кислот» . Биофизический журнал . 90 (12): 4546–57. Бибкод : 2006BpJ....90.4546S . дои : 10.1529/biophysj.105.080390 . ПМЦ 1471877 . ПМИД 16581842 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д и ж г Бреннеман, Арвен; Кондон, Энн (2002). «Дизайн нитей для биомолекулярных вычислений» . Теоретическая информатика . 287 : 39–58. дои : 10.1016/S0304-3975(02)00135-4 .
- ^ Диркс, Роберт М.; Буа, Джастин С.; Шеффер, Джозеф М.; Уинфри, Эрик; Пирс, Найлз А. (2007). «Термодинамический анализ взаимодействующих цепей нуклеиновых кислот». Обзор СИАМ . 49 (1): 65–88. Бибкод : 2007SIAMR..49...65D . CiteSeerX 10.1.1.523.4764 . дои : 10.1137/060651100 .
- ^ Заде, Джозеф Н.; Вулф, Брайан Р.; Пирс, Найлз А. (2011). «Разработка последовательности нуклеиновой кислоты посредством эффективной оптимизации дефектов ансамбля» (PDF) . Журнал вычислительной химии . 32 (3): 439–452. дои : 10.1002/jcc.21633 . ПМИД 20717905 . S2CID 1803200 .
- ^ Цукер, М. (2003). «Веб-сервер Mfold для прогнозирования сворачивания нуклеиновых кислот и гибридизации» . Исследования нуклеиновых кислот . 31 (13): 3406–15. дои : 10.1093/nar/gkg595 . ПМК 169194 . ПМИД 12824337 .
- ^ Грубер А.Р., Лоренц Р., Бернхарт Ш., Нойбёк Р., Хофакер И.Л. (2008). «Венский веб-сайт RNA» . Нуклеиновые кислоты Рез . 36 (проблема с веб-сервером): W70–4. дои : 10.1093/нар/gkn188 . ПМЦ 2447809 . ПМИД 18424795 .
- ^ Гудман, Р.П.; Шаап, ИАТ; Тардин, CF; Эрбен, СМ; Берри, РМ; Шмидт, CF; Терберфилд, Эй Джей (9 декабря 2005 г.). «Быстрая хиральная сборка жестких строительных блоков ДНК для молекулярного нанопроизводства». Наука . 310 (5754): 1661–1665. Бибкод : 2005Sci...310.1661G . дои : 10.1126/science.1120367 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 16339440 . S2CID 13678773 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Бирак, Джеффри Дж.; Шерман, Уильям Б.; Копач, Йенс; Константину, Памела Э.; Симан, Надриан К. (2006). «Архитектура с GIDEON, программой для проектирования структурных нанотехнологий ДНК» . Журнал молекулярной графики и моделирования . 25 (4): 470–80. дои : 10.1016/j.jmgm.2006.03.005 . ПМЦ 3465968 . ПМИД 16630733 .
- ^ «Описания моделей PAM3 и PAM5» . Вики-документация «Наноинженер-1» . Нанорекс . Проверено 15 апреля 2010 г.
- ^ Уильямс, Шон; Лунд, Кайл; Линь, Чэньсян; Вонка, Питер; Линдси, Стюарт; Ян, Хао (2009). «Тиамат: инструмент трехмерного редактирования сложных структур ДНК». ДНК-вычисление . Конспекты лекций по информатике. Том. 5347. Шпрингер Берлин/Гейдельберг. стр. 90–101. дои : 10.1007/978-3-642-03076-5_8 . ISBN 978-3-642-03075-8 . ISSN 0302-9743 .
- ^ Чжу, Дж.; Вэй, Б.; Юань, Ю.; Ми, Ю. (2009). «UNIQUIMER 3D, программная система для проектирования, анализа и оценки структурных нанотехнологий ДНК» . Исследования нуклеиновых кислот . 37 (7): 2164–75. дои : 10.1093/нар/gkp005 . ПМК 2673411 . ПМИД 19228709 .
- ^ Дуглас, С.М.; Марблстоун, штат Азиатско-Тихоокеанский регион; Тирапиттаянон, С.; Васкес, А.; Черч, генеральный директор; Ши, WM (2009). «Быстрое прототипирование 3D фигур ДНК-оригами с помощью caDNAno» . Исследования нуклеиновых кислот . 37 (15): 5001–6. дои : 10.1093/нар/gkp436 . ПМЦ 2731887 . ПМИД 19531737 .
- ^ Андерсен, Эббе С.; Донг, Миндонг; Нильсен, Мортен М.; Ян, Каспер; Линд-Томсен, Аллан; Мамду, Ваэль; Готельф, Курт В.; Безенбахер, Флемминг; Кьемс, Йорген (2008). «ДНК-оригами-конструкции в форме дельфинов с гибкими хвостами». АСУ Нано . 2 (6): 1213–8. дои : 10.1021/nn800215j . ПМИД 19206339 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Бреннеман, Арвен; Кондон, Энн (2002). «Дизайн нитей для биомолекулярных вычислений» . Теоретическая информатика . 287 : 39–58. дои : 10.1016/S0304-3975(02)00135-4 . — Обзор подходов к проектированию первичной структуры нуклеиновых кислот.
- Диркс, Роберт М .; Лин, Майло; Уинфри, Эрик; Пирс, Найлз А. (2004). «Парадигмы вычислительного дизайна нуклеиновых кислот» . Исследования нуклеиновых кислот . 32 (4): 1392–1403. дои : 10.1093/nar/gkh291 . ПМК 390280 . ПМИД 14990744 . — Сравнение и оценка ряда эвристических и термодинамических методов дизайна нуклеиновых кислот.
- Симан, Н. (1982). «Соединения и решетки нуклеиновых кислот». Журнал теоретической биологии . 99 (2): 237–47. Бибкод : 1982JThBi..99..237S . дои : 10.1016/0022-5193(82)90002-9 . ПМИД 6188926 . — Одна из самых ранних статей по дизайну нуклеиновых кислот, описывающая использование минимизации симметрии последовательностей для создания неподвижных разветвленных соединений.
- Андерсен, Эббе Ленивец (2010). «Прогнозирование и проектирование структур ДНК и РНК». Новая биотехнология . 27 (3): 184–193. дои : 10.1016/j.nbt.2010.02.012 . ПМИД 20193785 . — Обзор, сравнивающий возможности доступного программного обеспечения для дизайна нуклеиновых кислот.
