Новости по темам: Наука и технологии

На пути к созданию ДНК-наноустройств

Администратор 25 Апреля в 7:23 1106 0


На пути к созданию ДНК-наноустройств
Нанотехнологии – это относительно новая, но быстро развивающаяся область науки, которая изучает устройства мельчайших размеров и молекулярные инструменты, способные манипулировать отдельными клетками и их компонентами.

Теперь исследователи, копируя тактику вируса в организме человека, создали первые наноустройства, избегающие уничтожения иммунной системой пациента.

Это достижение стало недостающим фрагментом мозаики, без которого ученые не могли полноценно использовать наноустройства на клеточном уровне.

Научные сотрудники гарвардского Института биологического инжиниринга Висса (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) в Бостоне говорят, что их новые ДНК-наноустройства успешно выполнили свою первую миссию.

В своей статье, опубликованной в издании ACS Nano, ученые заключили, что это достижение «создает платформу для конструирования сложных, готовых для доставки ДНК-наноустройств (DNA nanodevices)».

Эти «умные ДНК-нанороботы» могли бы использоваться для диагностики болезней, таких как рак, и выявлять их значительно раньше, чем все современные тесты. Они могли бы также доставлять лекарственные молекулы напрямую к раковой опухоли, и даже манипулировать молекулами прямо на месте.

Маскируемся под вирусы, чтобы добраться до цели

Ведущий автор исследования Уильям Шин (William Shih), преподаватель биологической химии и молекулярной фармакологии в Школе медицины Гарварда, говорит: «Мы функционально замаскировали устройства под вирусы, чтобы преодолеть защиту и добраться до клеток-мишеней».

Исследователи считают, что похожий метод маскировки может быть использован для создания искусственных контейнеров или «протоклеток», способных находить токсины в питьевой воде и патогенные организмы в пище.

ДНК наиболее известна как конвейер с генетической информацией. Но исследователи в своей последней работе использовали ДНК в другой роли – они увидели в сложной и громоздкой молекуле трехмерный строительный материал. Ученые взяли несколько фрагментов ДНК и запрограммировали их на складывание в фигуры нужной формы, подобно японской оригами.

По сути, ученые использовали принцип оригами для создания ДНК-наноустройств очень сложной формы, приближающихся по структуре к тем третичным молекулярным структурам, которые встречаются в клетках.

Ученые успешно построили нанороботов из каркаса ДНК. Полученные ДНК-устройства могут выполнять несколько функций: они «ощущают» среду вокруг себя, они должным образом реагируют на некоторые ситуации, они способны инициировать нужные химические реакции, они могут двигаться – генерировать механическую энергию.

Такие замечательные устройства не новы. К примеру, в 2012 году исследователи из того же Института Висса сообщали о созданных по принципу оригами ДНК-нанороботов, которые находят раковые клетки и доставляют им молекулярные инструкции по самоуничтожению (запускают клеточную смерть).

Также ученые из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology) рассказывали об уникальных нанофабриках, способных на молекулярном уровне проводить «сборку» сложных лекарственных веществ, находясь прямо в опухоли. Эти фабрики продуцируют смертельные для опухоли протеины, используя энергию ультрафиолетовых лучей.

Как ДНК-нанороботы стали невидимыми для иммунной системы?

Тем не менее, все еще не хватало главного – нанороботы не обладали способностью обойти защиту иммунной системы или, по крайней мере, спрятаться на то время, пока не сделают свою работу. Когда профессор Шин и его коллеги вводили нанороботов в кровоток мышей, их иммунные клетки быстро «переваривали» маленьких помощников.

Профессор Шин, который также является преподавателем биологии рака в знаменитом Институте рака Дана-Фарбер (Dana-Farber Cancer Institute), смог найти ответ у самой природы.

Вирус прячется от иммунной системы хозяина, используя особую «маскировочную сеть». Вирусный геном скрыт за твердой протеиновой оболочкой, которая покрывается верхним двойным слоем из фосфолипидов и белка – похожим на тот, которым обладают мембраны живых человеческих клеток.

Профессор говорит, что спрятать наноустройства под липопротеиновым слоем было замечательной идеей. Чтобы воплотить это на практике, ученые сперва заключили ДНК-нанороботов в вирусный октахедрон (восьмигранник), а затем нарастили вокруг двухслойную мембрану из липидов со встроенными протеинами.

Наноустройство выглядит как вирус

Покрытое липопротеиновой мембраной изобретение ученых под электронным микроскопом выглядит точно так же, как многие ДНК-содержащие вирусы.

Следующей стадией стало испытание оболочки.

Поможет ли она роботу обмануть иммунную систему хозяина?

Чтобы проверить это, исследователи пометили роботов красителем, а затем ввели лабораторным мышам. Используя современные методы визуализации, ученые наблюдали за перемещением частиц в организме грызунов. Если маскировка работает, ДНК-нанороботы должны распределяться по тканям и оставаться там надолго.

Для сравнения они окрасили незащищенные частицы, и ввели их другой группе мышей. Эти роботы через короткое время светились только в зоне мочевого пузыря – иммунная система разрушила их, и организм вывел остатки вместе с красителем через почки.

Но защищенные ДНК-наноустройства – совсем другая история. Вирусная оболочка помогала им оставаться невидимыми для иммунитета часами. Частицы распределялись по кровеносным сосудам и находились там достаточно долго, чтобы выполнять нужную работу.

Чтобы подтвердить свой успех, исследователи решили измерить уровень двух протеинов иммунной системы, которые отвечают за уничтожение чужеродных тел. У мышей, которым вводили незащищенные частицы, уровень этих иммунных белков был в 100 раз выше, чем в первой группе. То есть, нанороботы без оболочки вызывали у мышей острую иммунную реакцию, а на защищенных роботов иммунитет не реагировал.

Ученые говорят, что нанороботы с таким покрытием могут делать много полезных вещей – активировать иммунную систему на борьбу с раком, подавлять иммунную реакцию при отторжении органов, доставлять лекарственные препараты в очаг болезни и др.

Исследование гарвардских ученых проводилось при поддержке Национального института здоровья США, Научного отдела Исследовательской лаборатории армии США и Института Висса.

Напомним о еще одном недавнем прорыве в медицинских нанотехнологиях. В феврале 2014 ученые из Иллинойсского университета в Чикаго (University of Illinois at Chicago) научились использовать наночастицы для подавления «неправильно» работающих иммунных клеток. Это стало важным шагом к более эффективному контролю аутоиммунных заболеваний.
Похожие статьи
показать еще
  • Новые
  • Популярные
Prev Next