ДНК-оригами открывает новую эру наномашин

Наномасштабные устройства из ДНК открывают новую эру в биомедицинских исследованиях и материаловедении, подобно тому, как паровая машина предвосхитила промышленную революцию, а микротранзисторы — цифровую эпоху.

В статье-перспективе в журнале Science профессор химии Университета Эмори Халид Салаита и аспирант Аарон Бланшард описывают зарождающуюся область ДНК-механотехнологии. Эта область занимается инженерией ДНК-машин, которые генерируют, передают и воспринимают механические силы в наномасштабе.

Самоорганизующиеся строительные блоки

Синтетические нити ДНК можно комбинировать с природными нитями из бактериофагов. Меняя последовательность оснований (A, T, C, G), исследователи заставляют нити связываться, образуя различные формы. Жёсткость нитей также легко регулировать: от состояния «сухой спагетти» до «варёной спагетти».

Идея использования ДНК как строительного материала восходит к 1980-м годам и биохимику Надриану Симану. Создание трёхмерных структур, прозванное ДНК-оригами, начиналось как новинка (микроскопическая карта мира, игра в крестики-нолики), но теперь даёт ключевое понимание механических свойств ДНК.

«Если объединить три основных компонента механических устройств — генерацию, передачу и сенсорику сил, — вы начинаете получать молотки, шестерёнки и колёса и можете создавать наномашины», — говорит Салаита.

Потенциал и доступность

Возможные применения:

• Нанокапсулы для доставки лекарств, открывающиеся у цели.
• Нанокомпьютеры.
• Нанороботы на сборочных линиях.

Использование самоорганизации ДНК в геномной индустрии делает синтез ДНК недорогим и доступным. «Потенциально любой может придумать дизайн наномашины и воплотить его», — отмечает Салаита.

Прорывы в иммунологии

Лаборатория Салаиты — одна из примерно 100 в мире на переднем крае этой области. Ключевой фокус их исследований — измерение механических сил в иммунной системе человека.

В 2016 году с помощью ДНК-силовых датчиков они впервые получили прямое доказательство, что Т-клетки используют механическое «рукопожатие» (рывок), чтобы проверить, друг перед ними клетка или враг. Сила этих рывков — сигнал для Т-клетки о необходимости иммунного ответа.

В недавней работе в PNAS, под руководством аспиранта Ронг Ма, чувствительность датчиков была усовершенствована. Теперь они могут:

• Обнаруживать рывки с силой, почти в миллиард раз меньшей веса скрепки.
• Фиксировать рывки, длящиеся мгновение.

Исследование показало, что Т-клетки применяют очень краткие механические рывки даже к чужеродным агентам, которые лишь частично соответствуют их рецептору. Частота и длительность рывка зависят от степени этого соответствия.

Этот результат даёт инструмент для прогнозирования силы иммунного ответа Т-клетки. «Мы надеемся, что этот инструмент может в конечном итоге использоваться для тонкой настройки иммунотерапии для отдельных онкологических пациентов и помощи в инженерии Т-клеток для атаки конкретных раковых клеток», — говорит Салаита.