От живых компьютеров до нанороботов: как мы выходим за пределы генетики с помощью ДНК

ДНК — одна из самых удивительных молекул в природе, несущая инструкции для создания почти любой формы жизни в микроскопическом пакете. Учёные находят способы использовать её не только для хранения информации, но и для создания физических компонентов в биологических машинах.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) несёт генетическую информацию. Обычно она имеет форму знаменитой двойной спирали, состоящей из двух цепей. Каждая цепь состоит из четырёх типов молекулярных компонентов: аденина (A), гуанина (G), тимина (T) и цитозина (C).

Последовательность этих строительных блоков кодирует генетическую информацию. Однако, точно проектируя разные последовательности A, G, T и C, учёные научились складывать ДНК в оригами-формы, выходящие за рамки классической двойной спирали.

Этот подход открыл новые возможности использования ДНК не по её биологическому назначению, превратив её в материал, подобный Lego, для строительства объектов диаметром в несколько миллиардных долей метра (наноразмер). Материалы на основе ДНК теперь используются для различных целей: от шаблонов для электронных наноустройств до точной доставки лекарств к больным клеткам.

ДНК-нанотермометры

Создание электронных устройств нанометрового размера открывает множество применений, но усложняет поиск дефектов. Исследователи из Университета Монреаля использовали ДНК для создания сверхчувствительных нанотермометров, которые могут находить микроскопические "горячие точки" в наноустройствах (указывающие на дефект). Их также можно использовать для контроля температуры внутри живых клеток.

Нанометры сделаны из петель ДНК, которые действуют как переключатели, сворачиваясь или разворачиваясь в ответ на изменение температуры. Это движение можно обнаружить с помощью оптических зондов, прикреплённых к ДНК. Исследователи хотят встроить эти нанотермометры в более крупные ДНК-устройства, способные работать внутри человеческого тела.

Биологические нанороботы

Исследователи из Гарвардской медицинской школы использовали ДНК для создания наноробота, действующего как средство доставки лекарств к определённым клеткам. Наноробот имеет форму открытой бочки из ДНК, две половинки которой соединены петлёй, удерживаемой специальными ДНК-ручками. Эти ручки могут распознавать комбинации специфических белков на поверхности клеток, в том числе связанных с болезнями.

Когда робот сталкивается с нужными клетками, он открывает контейнер и доставляет груз. В испытаниях на смеси здоровых и раковых клеток человека эти роботы смогли нацелиться и уничтожить половину раковых клеток, не повредив здоровые.

Биокомпьютеры в живых организмах

Поскольку структуры ДНК могут действовать как переключатели, перемещаясь из одного положения в другое, их можно использовать для выполнения логических операций, лежащих в основе компьютерных вычислений. Исследователи из Гарварда и Университета Бар-Илан (Израиль) использовали этот принцип для создания различных нанороботов, которые могут взаимодействовать друг с другом, используя свои ДНК-переключатели для реакции на сигналы и их генерации.

Более того, учёные имплантировали роботов в живое животное — таракана. Это позволило создать новый тип биологического компьютера, который может контролировать доставку терапевтических молекул внутри таракана, переключая элементы своей структуры в положение "вкл" или "выкл". Испытания этих ДНК-нанороботов теперь запланированы на людях.

Светособирающие антенны

ДНК также позволяет копировать природные процессы в наномасштабе. Например, природа захватывает энергию солнца с помощью фотосинтеза, преобразуя свет в химическую энергию, которая служит топливом для растений и других организмов. Исследователи из Университета штата Аризона и Университета Британской Колумбии создали трёхлучевую ДНК-структуру, способную захватывать и передавать свет, имитируя этот процесс.

В живых организмах фотосинтез происходит благодаря крошечным антеннам, состоящим из множества пигментных молекул, ориентированных на определённом расстоянии друг от друга и способных поглощать видимый свет. Искусственные ДНК-структуры действуют как аналогичные антенны, контролируя положение специфических молекул красителя, которые поглощают световую энергию и направляют её в реакционный центр, где она преобразуется в химическую энергию. Эта работа может проложить путь к устройствам, способным более эффективно использовать самый abundant источник энергии в нашем распоряжении: солнечный свет.