ДНК-нанороботы: складные, органические и биоразлагаемые помощники в борьбе с раком
Основная проблема противораковой терапии — уничтожение здоровых клеток вместе с опухолевыми, что вызывает тяжелые побочные эффекты. Ученые ищут способы доставлять лекарства прицельно, только к раковым клеткам. Одним из перспективных решений могут стать нанороботы размером в миллиардные доли метра. Для их создания европейские исследователи используют фундаментальные «кирпичики жизни» — ДНК.
Традиционные материалы, такие как кремний, плохо подходят для механических устройств размером менее 100 нанометров. Диаметр же двойной спирали ДНК составляет всего 2 нанометра (для сравнения: диаметр эритроцита — около 6000 нм).
ДНК как конструктор
ДНК сравнивают с Lego: это маленькие строительные блоки, которые можно комбинировать для создания любой формы. Четыре типа «блоков» (нуклеотиды) специфически спариваются друг с другом, что делает их взаимодействие предсказуемым.
Ученые научились создавать последовательности ДНК, которые разветвляются и изгибаются, формируя трехмерные структуры. Этот процесс легко моделировать. Высокая программируемость ДНК позволяет использовать специальное ПО для проектирования последовательностей, дающих нужную форму, что невозможно с другими материалами в таком масштабе.
Хотя до применения ДНК-роботов в медицине еще далеко (прогноз — не ранее чем через 10 лет), в лабораториях уже есть прогресс. Используя технику ДНК-оригами, ученые могут взять длинную нить вирусной ДНК и с помощью коротких «скрепок» из ДНК свернуть ее в заданную 3D-форму.
Уже созданы прототипы: например, ДНК-коробочка с открывающейся крышкой или бочкообразный робот, который раскрывался, распознав раковые белки, и высвобождал фрагменты антител. Цель — создать робота, который сможет найти опухоль, связаться с ней и высвободить терапевтический «груз».
Движение и преодоление барьеров
Большинству роботов нужно двигаться. Крошечные ДНК-роботы не могут плыть против тока крови, но в них можно встроить молекулярные «двигатели» на основе ферментов.
Доктор Тания Патиньо разработала ДНК-нановыключатель, чувствительный к кислотности среды, который также работал как самодвижущийся микромотор. Фермент в его составе вступал в реакцию с молекулами уреазы в организме, вырабатывая энергию для движения.
Такое движение может повысить эффективность доставки по сравнению с пассивными наночастицами. Эксперименты на мышах показали, что наночастицы с моторами распределяются в мочевом пузыре более равномерно, чем неподвижные.
Кроме того, самодвижущиеся ДНК-роботы потенциально способны преодолевать биологические барьеры организма (например, слизистые оболочки), которые часто мешают доставке лекарств.
Стабильность и будущее
ДНК — идеальный биоразлагаемый материал, который легко разрушается в организме. Но это и минус: тело может быстро уничтожить робота до выполнения задачи. Ученые работают над методами стабилизации: покрытиями, маскировкой и укреплением химических связей.
Еще один потенциальный риск — иммунная реакция на «голые» фрагменты ДНК, которые могут быть восприняты как признак инфекции. Ни один ДНК-наноробот еще не вводился человеку, но ученые уверены, что эти проблемы решаемы. Аналогичные препятствия (стабильность и иммунный ответ) уже преодолели разработчики мРНК-вакцин.
Профессор Курт Готхельф видит будущее, в котором ДНК-роботы будут доставлять лекарства точно в цель. Например, препарат можно присоединить к роботу специальной связкой, которая расщепляется ферментом, присутствующим только в определенных клетках.
ДНК-робототехника перспективна не только для медицины. Ее используют в органической химии и наноэлектронике (например, для создания молекулярных проводов) и для высокоточного размещения молекул в нанопроизводстве.
«Можно создавать структуры, которые будут намного умнее и специфичнее, чем все, что возможно сегодня, — говорит профессор Готхельф. — Это имеет потенциал для создания совершенно нового поколения лекарств».