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 мы расскажем о самых маленьких, но таких важных и перспективных нано... ДНК-нанороботах!

Понятие ДНК-роботов или ДНК-машин – это общепринятое название для искусственных молекул – интеллектуальных систем, которые состоят исключительно из нуклеиновых кислот. Суть в том, что при определенных условиях такие структуры обладают рядом уникальных функций: они могут находить и связываться с «мишенями» (определенными цепочками ДНК или РНК), расщеплять или менять их пространственную организацию («расплетать» цепочки), блокировать их репликацию или доставлять в клетку терапевтические агенты.

В основе этих искусственных соединений находятся каталитические молекулы дезоксирибозимы, которые обладают ферментативной активностью: они умеют ловить и накапливать магний, а при достижении определенной его концентрации – расщеплять мишень. То есть робот заходит в клетку, по определенным маркерам опознает ее как раковую или инфицированную, присоединяется к цепочке и блокирует работу жизненно важных генов этой клетки – что в конечном счете приводит к ее гибели.

При этом в системе есть ряд защит, предотвращающих уничтожение здоровых клеток – достаточно даже одной нуклеотидной замены в маркерной последовательности для того, чтобы начать ингибировать сборку роботов. Важно, что ДНК-роботы не являются белками – а значит для их хранения не нужно соблюдать специфические условия.

Этот же принцип используется в диагностике для типирования, например, единичных нуклеотидных замен, что довольно сложная задача в диагностике.   

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.

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 засыплем эту комнату рисом. Одно зернышко – одна клетка кончика вашего мизинца. Теперь увеличим одно зернышко (оно же клетка) до размера комнаты, и засыплем опять комнату рисом. Одно зернышко – это теперь размер белка. А теперь засыплем 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 бóльшей 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!

Впервые о конструировании из ДНК всерьез заговорил американский ученый Нэд Симэн 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. 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. Полученные им фигуры впечатляли своей оригинальностью.

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 !

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.

Исследователи из США 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 синтезануклеиновых 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.

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.

Как же ученые убедились, что даунорубицин вышел из лизосомы и подействовал на опухолевые клетки? Если клетки погибали при добавлении ДНК-наноробота, нагруженного препаратом, значит, распаковка даунорубицина происходила успешно. Так и вышло! При проведении эксперимента опухолевые клетки погибали.

По такому же принципу ДНК-нанороботы могут доставлять вещества не только в опухолевые клетки, но и в другие клетки нашего организма, требующие лечения.

В марте 2018 года опубликовали свое исследование ученые из Китая. Они сконструировали ДНК-наноробота, способного распознавать раковые клетки с помощью ДНК-аптамера, комплементарного к нуклеолину (белок, который вырабатывается на поверхностях эндотелиальных раковых клеток).

Складывание ДНК-оригами происходит в несколько стадий. Сначала создают ДНК-лист из молекул ДНК, далее на листе располагают тромбин (держится на основе химических связей). Получившийся наноробот имеет форму трубки с расположенным внутри тромбином.

И для чего же тромбин? Это белок свертывания крови, который регулирует агрегацию тромбоцитов посредством их активации и превращение циркулирующего в крови фибриногена в фибрин. В конечном итоге это приводит к образованию тромба в сосудах.

При взаимодействии ДНК-наноробота с нуклеолином происходит изменение конформации аптамера, и тромбин высвобождается. Тромбин индуцирует свертывание крови вблизи опухолевых клеток, тем самым перекрывая им доступ к кислороду и питательным веществам. Оставшись без «всех благ» опухолевые клетки замедляют свой рост, а также наступает некроз опухолевых клеток.

Ученые провели эксперимент на мышах, которым ввели клетки рака молочной железы человека. Для выявления терапевтического эффекта взяли группу мышей, которым вводили наноробота, нагруженного тромбином. Также подготовили несколько контрольных групп для введения физиологического раствора; свободного тромбина; пустого наноробота; нанотрубки, нагруженной тромбином, но не распознающей нуклеолин; нанотрубка, не способная высвобождать тромбин.

В результате раковые клетки у контрольных групп мышей формировали крупные опухоли. Среднее время выживания животных, которые составляли контрольные группы, составляло 29 дней. Напротив, опухоли росли значительно медленнее у мышей, получивших ДНК-наноробота, нагруженного тромбином, что указывало на терапевтический эффект в ингибировании роста опухоли. Это коррелировало со значительным увеличением выживаемости животных до 39 дней.

А что же биосенсоры? Биосенсоры... слово красивое, но не всем оно понятно. Сенсор – чувствительный элемент, распознающий определенную мишень. Биосенсор – это сенсор, сконструированный сочетанием органических и неорганических материалов.

В статье, опубликованной в январе 2018 года журналом Biosensors and Bioelectronics, ученые описали модель биосенсора, сочетающего в себе ДНК-оригами и оптоволокна.

Сконструировали ДНК-наноробота в виде эллипса, где с внешней стороны располагалась дополнительная последовательность – «ручка», которая распознавала целевой зонд (то есть последовательность ДНК, комплементарная зонду). Эту конструкцию закрепляли на оптоволокне двумя последовательностями захвата (тоже из ДНК). Если происходило распознавание целевого зонда «ручкой» ДНК-наноробота, открывался лоскут его оболочки и высвобождал определенный фермент, находящийся внутри конструкции.

Реакция на биосенсорах проходит в растворе, содержащем активаторы фермента. Как только ДНК-наноробот высвобождает фермент, тот активируется молекулами в растворе, и в результате реакции получаются хемилюминесцентные сигналы (химическое свечение). Такие сигналы достигают устройства, способного их считывать и усиливать, а далее поступают в компьютер.

Таким образом можно с высокой точностью определять содержание исследуемых веществ в различных растворах. В перспективе станет возможным детектировать группы клеток или микроорганизмов, прикрепляя к готовой системе биосенсора (ДНК-наноробота и оптоволокна) только нужную «ручку».

Исследователи разработали методику создания ДНК-нанороботов, которая позволит синтезировать сложные механизмы за короткий промежуток времени.

Раньше ученые могли проектировать ДНК-роботов только в 2D, но и это занимало большое количество времени. Новое ПО обещает сделать этот процесс проще и удобнее
Биологи возлагают на ДНК-нанороботов большие надежды. Эти устройства, предположительно, смогут доставлять лекарственные средства в целевые органы, искать и уничтожать патогены в нашем организме, а также помочь в создании наноэлектронных устройств. Однако до сих пор синтез таких структур на основе ДНК занимал несколько дней, а их функционал был сильно ограничен.

Теперь американские исследователи разработали программное обеспечение под названием MagicDNA. Оно может помочь создавать сложные структуры для биологических роботов, такие как роторы и шарниры, которые могут двигаться и выполнять различные задачи, включая доставку лекарств. 

Программное обеспечение имеет множество преимуществ, которые позволят ученым создавать лучшие, более полезные наноустройства и сократить время их внедрения в повседневную жизнь. Одним из преимуществ является то, что ПО позволяет исследователям моделировать структуру будущего робота полностью в 3D. Более ранние инструменты проектирования позволяли создавать только 2D-модели, что ограничивало сложность структуры будущих биологических механизмов.

Сочетание этих двух факторов позволяет повысить сложность общей геометрии при сохранении точного контроля над отдельными свойствами компонентов. Другим ключевым элементом программного обеспечения является то, что оно позволяет моделировать работу ДНК-устройств в реальном мире. Исследователи предполагают, что в ближайшие 5-10 лет мы сможем увидеть практические воплощения этой технологии.

С 1980-х годов разработка молекулярных машин была важной задачей для молекулярной техники. Работы являются важным типом молекулярной инженерии, которые автоматически выполняют сложные наномеханические задачи. Молекулы ДНК являются отличными материалами для построения молекулярных роботов, поскольку их геометрические, термодинамические и кинетические свойства хорошо понятны и хорошо программируемы. 

До сих пор развитие ДНК-роботов было ограничено простой функцией. Большинство ДНК-роботов были разработаны для выполнения одной функции: идти в заданном направлении. Несколько демонстраций включали вторую функцию в сочетании с продвижением – например, сбор наночастиц. 

Однако эти сравнительно сложные функции также было тяжелее контролировать, а сложность задач была ограничена тем, что робот может выполнить 3-12 шагов. Кроме того, каждый дизайн робота был разработан для конкретного задания, усложняя усилия по разработке новых роботов, которые выполняют новые задачи, объединяя функции и механизмы.

Дизайн и синтез молекулярных роботов являются двумя вызовами, такими, как модульность и простота алгоритмов, которые трансформировались в других областях молекулярной техники. Например, простые и модульные строительные блоки были использованы для увеличения молекулярной обработки информации с помощью схем ДНК.

Как и в схемах ДНК, простые строительные блоки для ДНК-роботов могут включать более сложные наномеханические задачи, тогда как модульность может обеспечить различные новые функции, выполняемые роботами, используя один и тот же набор строительных блоков.

Разработанный ДНК-робот выполняет гораздо более сложную наномеханическую задачу, чем предыдущие. Ученые разработали простой алгоритм и три модульных блока для работы ДНК-робота, который выполняет автономную сортировку грузов». Робот исследует двумерную тестовую площадку на поверхности «ДНК-оригами» (технология направленного проектирования молекул ДНК, способных к самосборке в заранее рассчитаные и модифицированные объекты), собирает несколько грузов двух типов, которые сначала находятся в неупорядоченных местах, и доставляет каждый тип к месту назначения, пока все молекулы груза не будут отсортированы на две разные кучи. 

Робот предназначен для случайного движения, без всякой энергии. Один робот может многократно сортировать несколько грузов. Локализация на «ДНК-оригами» позволяет выполнять различные задачи по сортировке грузов одновременно в одной пробирке. Так же, одно задание могут выполнять совместно несколько роботов. Новый наноробот выполнял примерно 300 шагов при сортировке грузов – это значительно больше, чем у ранее продемонстрированных роботов.

Использование аптамероа, антител или прямых коньюгаций, мелких химических веществ, наночастиц металлов и белков, которые можно транспортировать, как молекулы груза… ДНК-роботы могут иметь потенциальное применение при автономном химическом синтезе, в производстве чувствительных молекулярных устройств и программируемых терапевтических средств. 

Разработаны строительные блоки могут также использоваться для различных функций, кроме сортировки «грузов». Нанороботы могут транспортировать молекулярные грузы и работать в микроскопических средах, внутри нашего организма. Это приведет к прорыву в медицине.

В США создали ДНК-роботов, которые едят, растут и умирают. Разработка исследователей напоминает искусственную жизнь. По уровню развития робот похож на некоторые примитивные организмы. На основе биоматериала с искусственным метаболизмом могут быть созданы самовоспроизводящиеся роботы.

Какой станет медицина будущего? Как использование ДНК-нанороботов изменит нас и наше отношение к жизни? Это, конечно же, еще долго не будет ясно. В этой статье мы рассмотрели лишь несколько успешных экспериментов. Но есть и провалы, и тупики на многих этапах применения ДНК-нанотехнологий. Еще больше вопросов возникает у самих разработчиков наноструктур.

Все нынешние достижения – это большая гордость для человечества, но, как и все новые открытия – также и большой риск. Ведь множество вопросов еще не решено и вряд ли решится в ближайшие 10 лет.

Мы же надеемся, что такие перспективные технологии дадут человечеству большой толчок в улучшении качества жизни.