На шляху до створення днк-наноустройств

Відео: Створено штучну ДНК !!!

Нанотехнології - це відносно нова, але швидко розвивається галузь науки, яка вивчає пристрої найдрібніших розмірів і молекулярні інструменти, здатні маніпулювати окремими клітинами і їх компонентами.

Тепер дослідники, копіюючи тактику вірусу в організмі людини, створили перші наноустройства, уникають знищення імунною системою пацієнта.

Це досягнення стало відсутньою фрагментом мозаїки, без якого вчені не могли повноцінно використовувати наноустройства на клітинному рівні.

Наукові співробітники гарвардського Інституту біологічного інжинірингу Вісса (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering) в Бостоні кажуть, що їх нові ДНК-наноустройства успішно виконали свою першу місію.

У своїй статті, опублікованій в виданні ACS Nano, вчені зробили висновок, що це досягнення «створює платформу для конструювання складних, готових для доставки ДНК-наноустройств (DNA nanodevices)».

Ці «розумні ДНК-нанороботи» могли б використовуватися для діагностики хвороб, таких як рак, і виявляти їх значно раніше, ніж всі сучасні тести. Вони могли б також доставляти лікарські молекули безпосередньо до ракової пухлини, і навіть маніпулювати молекулами прямо на місці.

Маскуючись під віруси, щоб дістатися до мети

Провідний автор дослідження Вільям Шин (William Shih), викладач біологічної хімії та молекулярної фармакології в Школі медицини Гарварда, каже: «Ми функціонально замаскували пристрою під віруси, щоб подолати захист і дістатися до клітин-мішеней».

Дослідники вважають, що схожий метод маскування може бути використаний для створення штучних контейнерів або «протоклеток», здатних знаходити токсини в питній воді і патогенні організми в їжі.

ДНК найбільш відома як конвеєр з генетичною інформацією. Але дослідники в своїй останній роботі використовували ДНК в іншій ролі - вони побачили в складній і громіздкою молекулі тривимірний будівельний матеріал. Вчені взяли кілька фрагментів ДНК і запрограмували їх на складання в фігури потрібної форми, подібно до японської орігамі.

По суті, вчені використовували принцип орігамі для створення ДНК-наноустройств дуже складної форми, що наближаються за структурою до тих третинним молекулярним структурам, які зустрічаються в клітинах.

Вчені успішно побудували нанороботів з каркаса ДНК. Отримані ДНК-пристрої можуть виконувати кілька функцій: вони «відчувають» середовище навколо себе, вони належним чином реагують на деякі ситуації, вони здатні ініціювати потрібні хімічні реакції, вони можуть рухатися - генерувати механічну енергію.

Такі чудові пристрої не нові. Приміром, в 2012 році дослідники з того ж Інституту Вісса повідомляли про створених за принципом орігамі ДНК-нанороботів, які знаходять ракові клітини і доставляють їм молекулярні інструкції по самознищення (запускають клітинну смерть).

Також вчені з Массачусетського технологічного інституту (Massachusetts Institute of Technology) розповідали про унікальні нанофабрик, здатних на молекулярному рівні проводити «збірку» складних лікарських речовин, перебуваючи прямо в пухлини. Ці фабрики продукують смертельні для пухлини протеїни, використовуючи енергію ультрафіолетових променів.

Як ДНК-нанороботи стали невидимими для імунної системи?

Проте, все ще не вистачало головного - нанороботи не володіли здатністю обійти захист імунної системи або, по крайней мере, сховатися на той час, поки не зроблять свою роботу. Коли професор Шин і його колеги вводили нанороботів в кровотік мишей, їх імунні клітини швидко «переварювали» маленьких помічників.

Професор Шин, який також є викладачем біології раку в знаменитому Інституті раку Дана-Фарбер (Dana-Farber Cancer Institute), зміг знайти відповідь у самій природи.

Вірус ховається від імунної системи господаря, використовуючи особливу «маскувальну мережу». Вірусний геном прихований за твердою протеїнової оболонкою, яка покривається верхнім подвійним шаром з фосфоліпідів і білка - схожим на той, яким володіють мембрани живих людських клітин.

Професор каже, що заховати наноустройства під ліпопротеїновими шаром було чудовою ідеєю. Щоб втілити це на практиці, вчені спершу уклали ДНК-нанороботів в вірусний октахедрон (восьмигранник), а потім наростили навколо двошарову мембрану з ліпідів з вбудованими протеїнами.

Нанопристрій виглядає як вірус

Покрите липопротеиновой мембраною винахід вчених під електронним мікроскопом виглядає точно так само, як багато ДНК-віруси.

Наступною стадією стало випробування оболонки.

Чи допоможе вона роботу обдурити імунну систему хазяїна?

Щоб перевірити це, дослідники позначили роботів барвником, а потім ввели лабораторним мишам. Використовуючи сучасні методи візуалізації, вчені спостерігали за переміщенням частинок в організмі гризунів. Якщо маскування працює, ДНК-нанороботи повинні розподілятися по тканинах і залишатися там надовго.

Для порівняння вони пофарбували незахищені частки, і ввели їх іншій групі мишей. Ці роботи через короткий час світилися тільки в зоні сечового міхура - імунна система зруйнувала їх, і організм вивів залишки разом з барвником через нирки.

Але захищені ДНК-наноустройства - зовсім інша історія. Вірусна оболонка допомагала їм залишатися невидимими для імунітету годинами. Частинки розподілялися по кровоносних судинах і перебували там досить довго, щоб виконувати потрібну роботу.

Щоб підтвердити свій успіх, дослідники вирішили виміряти рівень двох протеїнів імунної системи, які відповідають за знищення чужорідних тіл. У мишей, яким вводили незахищені частки, рівень цих імунних білків був у 100 разів вище, ніж в першій групі. Тобто, нанороботи без оболонки викликали у мишей гостру імунну реакцію, а на захищених роботів імунітет не реагував.

Вчені говорять, що нанороботи з таким покриттям можуть робити багато корисних речей - активувати імунну систему на боротьбу з раком, пригнічувати імунну реакцію при відторгненні органів, доставляти лікарські препарати в осередок хвороби і ін.

Дослідження гарвардських вчених проводилося за підтримки Національного інституту здоров`я США, Наукового відділу Дослідницької лабораторії армії США та Інституту Вісса.

Нагадаємо про ще один недавній прорив в медичних нанотехнологіях. У лютому 2014 вчені з Іллінойського університету в Чикаго (University of Illinois at Chicago) навчилися використовувати наночастинки для придушення «неправильно» працюють імунних клітин. Це стало важливим кроком до більш ефективному контролю аутоімунних захворювань.