ДНК-наноробот: кто он такой и как поможет нам?

• АВТОР: Диана Ильяскина
• РЕДАКТОР: Андрей Панов

Статья на конкурс «био/мол/текст»: В последнее время образовалось много новых научных направлений на стыке двух, а иногда и более фундаментальных наук. Именно такие объединенные науки внесли огромный вклад в развитие современной медицины. В этой статье описаны исследования в области нанонаук, генетики и биохимии, которые объединились и представляют большой научный кластер бионанотехнологий. Я расскажу вам о «маленьких помощниках» (то, что это ДНК-нанороботы, вы, конечно же, уже знаете из названия), сконструированных из молекул ДНК, с помощью которых многие исследователи решают такие проблемы, как адресная доставка веществ и специфическое распознавание молекул!

Вы задумывались хоть раз, как быстро развивается наука? Или как много уже разработано технологий? Или сколько человек в мире в эту секунду бьётся над решением масштабных проблем, например, лечение организма от различных заболеваний или создание искусственного интеллекта?

Но самое важное — это тенденция делать всё максимально компактным. Вспомните огромные телефоны с проводами и циферблатом — а какие они теперь? Да, теперь телефон можно поместить в руку, и нет никаких проводов, стесняющих его использование. Или же еще пример — открытие молекул, а затем атомов, а затем фотонов и кварков...

Многое мы стремимся уменьшить (процессоры, чипы, носители информации) и да, нам это удается!

И тут конечно же не обошлось без роботов. В этой статье я хочу рассказать о самых маленьких, но таких важных и перспективных нано... ДНК-нанороботах!

Применение наноконструктов поможет многим исследователям решать большие и важные проблемы. Благодаря соединению нанобиотехнологии и генетики ученые создают структуры, которые в будущем будут способны функционировать в организме, контролировать процессы в клетках и лечить наш организм.

Биомедицина и генная инженерия с приставкой «нано-»

Выступление Ричарда Фейнмана в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте начиналось с фразы: There’s plenty of room at the bottom («Внизу есть много места») [1]. Его слова указывали на то, что микромир не исследован в полной мере. Микромир — огромное поле для дальнейших работ и открытий.

Теперь давайте попробуем представить, насколько мало это слово «нано». Если представить размер одной пылинки, то по сравнению с наночастицами она размером с планету! Или еще пример: представьте, что ваш мизинец размером с комнату, в которой вы сидите. Теперь засыпем эту комнату рисом. Одно зернышко — одна клетка кончика вашего мизинца. Теперь увеличим одно зернышко (оно же клетка) до размера комнаты, и засыпем опять комнату рисом. Одно зернышко — это теперь размер белка. А теперь засыпем пространство между рисовыми зернышками мелким песком. Несколько частичек песка и есть размер самых малых наночастиц. Все еще сложно представить? Не переживайте, так бывает, когда речь идет о том, что нам не видно сразу...

Именно с такими размерами и связана наука будущего. Да, она проходит б?льшей частью в пробирках и электрофорезных камерах, и только в самых мощных электронных микроскопах видны плоды работы с микромиром! Но потенциала в этих маленьких частицах столько, что его увидеть можно и невооруженным глазом!

«Молекулярный конструктор»: начало

Впервые о конструировании из ДНК всерьез заговорил американский ученый Нэд Симэн (Ned Seeman) в начале 1980-х гг. Для достижения целей нужно было понять принцип того, как молекулы ДНК по собственному желанию собирать в отдельные структуры. Спустя годы Нэд Симэн представил нанометровый куб, ребра которого состояли из молекул ДНК [2]. Вот это и было началом ДНК-нанотехнологий!

Результат работы Симэна послужил основой для дальнейших открытий. Настоящие плоские фигуры, построенные из молекул ДНК, получил американец Пол Ротемунд. В 2006 году он опубликовал статью в научном издании Nature [3]. Полученные им фигуры впечатляли своей оригинальностью (рис. 1).

Далее последовала череда экспериментов по созданию 3D-структур. И несмотря на всю сложность процессов сборки объемных структур, исследователей было не остановить, ведь собрав объемную структуру можно было бы начать конструировать по-настоящему сложные модели. Такие перспективы любого исследователя мотивируют!

Первой объемной моделью стал куб с крышкой и замком, который открывался только при специфичном связывании с «ДНК-ключом». И тут уже сборка блоков и двигающихся конструкций началась полным ходом !

Подробнее о конструировании ДНК-фигур можно прочитать в статьях «ДНК-оригами: путь от гравюры до нанороботов длиной в 30 лет» [4] и «Биоинженеры научились получать ДНК-структуры, сборкой и разборкой которых можно управлять» [5].

ДНК-нанороботы — «роботы-курьеры»

Механизмы адресной доставки изучаются довольно давно. Поэтому для ученых найти точного курьера — это как желанный философский камень для алхимиков.

Кто же этот курьер? Это своеобразная капсула, которая сможет специфически распознать целевую ткань или группу клеток. Главным является то, что только при контакте с мишенью (клеткой или группой клеток) капсула высвобождает лекарственное вещество.

Почему именно ДНК-нанороботы? Для этого нужно понимать, что такое аптамер. Это собранная из небольшой цепи ДНК структура, которой можно задать форму любого рецептора. А значит, такой рецептор будет узнавать только свою мишень по принципу «ключ—замок».

Поэтому если наноробот имеет такой специфический рецептор, он становится точным курьером.

Я хотела бы рассказать о статье 2015 года с интересным курьером, которого там описывают. Команда исследователей из Колумбии (США) опубликовала свои результаты использования ДНК-нанороботов как поставщиков лекарств [6].

Исследователи сравнивали способность адресной доставки вещества и ДНК-наноробота, нагруженного этим веществом.

Препаратом был даунорубицин — противоопухолевый антибиотик, синтезируемый несколькими видами бактерий. Механизм действия заключается в блокировке синтеза нуклеиновых кислот и белков в клетке. Проникновение вещества в клетку обеспечивается диффузией через мембрану, но антибиотик не может проникнуть в устойчивые к даунорубицину опухолевые клетки в связи с изменением структуры их мембраны.

Ученые спроектировали ДНК-оригами стержневой формы размером 11 нм! Далее готовую конструкцию нагружали даунорубицином. Полученные нанороботы использовали для обхода лекарственной устойчивости к даунорубицину в линиях клеток лейкемии.

Почему же ДНК-нанороботы, нагруженные даунорубицином, проникают в клетки лучше, чем сам даунорубицин? Все дело в путях проникновения через мембрану! Даунорубицин проходит только через специальные клеточные насосы в мембране раковых клеток, но у устойчивых линий клеток лейкемии эти насосы видоизменяются и не пропускают антибиотик, а если он и проникает, то эффективно выводится обратно. ДНК-нанороботы имеют маленький размер, а также вытянутую цилиндрическую форму (размер и форма очень важны!), благодаря чему они проходят через другие мембранные каналы, связанные с процессом эндоцитоза (рис. 2).

Так как ДНК-нанороботы проникают в клетку по эндоцитарному пути, они попадают в лизосомы (органоиды, куда попадают поглощенные клеткой вещества, в том числе и нанороботы), где содержится множество кислот. Под действием этих кислот происходит высвобождение даунорубицина из наноробота. Сам же даунорубицин легко проникает в цитоплазму опухолевых клеток через те же самые насосы в мембране лизосом. Вот так и происходит обман устойчивых опухолевых клеток!

Эксперимент проводили на клеточных линиях миелоидной лейкемии (HL-60 и устойчивой к даунорубицину HL-60/ADR). Результаты опубликованы для нескольких временных промежутков: 3, 9 и 15 часов после добавления роботов в культуру. Просмотр проводили на флуоресцентном микроскопе (фиксирует свечение веществ в темноте). Для того чтобы убедиться, что адресная доставка и распаковка лекарств подействовала, лизосомы клеток окрашивали красителем зеленого цвета, а ДНК-нанороботов, нагруженных препаратом, метили красным цветом. Далее с помощью микроскопа делали серию изображений и смотрели расположение этих цветов на данных временных промежутках. Если ДНК-наноробот достигал лизосом, то такие места в клетке светились желтым цветом (результат наложения красного и зеленого цветов при анализе полученных снимков), а значит, адресная доставка прошла успешно (рис. 3).

Продолжение в источнике: https://biomolecula.ru/articles/dnk-nanorobot-kto-on-takoi-i-kak-pomozhet-nam

Источник: m.vk.com

Комментарии: