ДНК-нанодатчики могут проложить путь к новым тестам и лекарствам от рака

Сенсоры на основе специальных молекул ДНК могут использоваться для персонализации лечения рака и контроля качества стволовых клеток, согласно исследованию международной команды учёных под руководством специалистов из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре (UCSB) и Римского университета Тор Вергата.

Новые наносенсоры могут быстро обнаруживать широкий класс белков — транскрипционные факторы, которые служат главными регуляторными переключателями жизни. Исследование описано в статье, опубликованной в Journal of the American Chemical Society.

«Судьба наших клеток контролируется тысячами различных белков, называемых транскрипционными факторами», — пояснил Алексис Валле-Белиз, постдокторант кафедры химии и биохимии UCSB, руководивший исследованием. Роль этих белков — считывать геном и переводить его в инструкции для синтеза различных молекул, из которых состоит и которые контролируют клетку. Транскрипционные факторы действуют как «настройки» наших клеток. Наши датчики считывают эти настройки.

Когда учёные превращают стволовые клетки в специализированные, они делают это, изменяя уровни нескольких транскрипционных факторов. Этот процесс называется репрограммированием клеток. «Наши сенсоры отслеживают активность транскрипционных факторов и могут использоваться, чтобы убедиться, что стволовые клетки были правильно репрограммированы», — сказал Валле-Белиз. Они также могут определять, какие транскрипционные факторы активированы или подавлены в раковых клетках пациента, что позволит врачам использовать правильную комбинацию лекарств для каждого пациента.

Эндрю Бонхэм, соавтор исследования, объяснил, что, хотя многие лаборатории разработали способы считывания транскрипционных факторов, подход этой команды очень быстрый и удобный. «В большинстве лабораторий исследователи тратят часы на выделение белков из клеток перед анализом. С новыми сенсорами мы просто разрушаем клетки, добавляем датчики и измеряем уровень флуоресценции образца».

Это международное исследование было организовано старшими авторами Кевином Плаксо, профессором UCSB, и Франческо Риччи, профессором Университета Тор Вергата. Работа началась, когда Риччи осознал, что вся информация, необходимая для обнаружения активности транскрипционных факторов, уже зашифрована в человеческом геноме и может быть использована для создания сенсоров. «При активации эти тысячи различных транскрипционных факторов связываются со своей специфической целевой последовательностью ДНК. Мы используем эти последовательности в качестве отправной точки для создания наших новых наносенсоров».

Ключевой прорыв, лежащий в основе этой технологии, произошёл благодаря изучению естественных биосенсоров внутри клеток. «Все существа, от бактерий до человека, отслеживают свою среду с помощью "биомолекулярных переключателей" — меняющих форму молекул, состоящих из РНК или белков», — сказал Плаксо. Например, в наших пазухах есть миллионы рецепторных белков, которые обнаруживают разные молекулы запаха, переключаясь из «выключенного» состояния во «включённое». Красота этих переключателей в том, что они достаточно малы, чтобы работать внутри клетки, и достаточно специфичны, чтобы функционировать в очень сложной клеточной среде.

Вдохновлённые эффективностью этих природных наносенсоров, исследователи совместно с профессором Норбертом Райхом создали синтетические переключающиеся наносенсоры, используя ДНК, а не белки или РНК.

В частности, команда перепроектировала три естественные последовательности ДНК, каждая из которых распознаёт свой транскрипционный фактор, в молекулярные переключатели, которые начинают флуоресцировать при связывании с целевыми белками. Используя эти нанометровые сенсоры, исследователи могли определять активность транскрипционных факторов непосредственно в клеточных экстрактах, просто измеряя уровень их флуоресценции.

Учёные полагают, что эта стратегия в конечном итоге позволит биологам отслеживать активацию тысяч транскрипционных факторов, что приведёт к лучшему пониманию механизмов деления и развития клеток. «Кроме того, поскольку эти наносенсоры работают непосредственно в биологических образцах, мы также считаем, что их можно использовать для скрининга и тестирования новых лекарств, которые могли бы, например, ингибировать активность связывания транскрипционных факторов, ответственную за рост опухолевых клеток», — сказал Плаксо.