ДНК-наноробот запускает направленные терапевтические реакции
Исследователи из Института биологически инспирированной инженерии Висса при Гарвардском университете создали роботизированное устройство из ДНК, способное находить конкретные клетки-мишени в сложной смеси типов клеток и доставлять важные молекулярные инструкции, например, приказывая раковым клеткам самоуничтожиться. Технология, вдохновленная механикой собственной иммунной системы организма, в будущем может использоваться для программирования иммунных ответов для лечения различных заболеваний. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.
Используя метод ДНК-оригами (создание сложных трёхмерных объектов путём сворачивания нитей ДНК), Шон Дуглас и Идо Башелет создали наноробота в форме открытой бочки, две половинки которой соединены шарниром. ДНК-бочка, выполняющая роль контейнера, удерживается закрытой специальными ДНК-защёлками, которые могут распознавать и искать комбинации белков на поверхности клеток, включая маркеры заболеваний. Когда защёлки находят свои цели, они меняют конфигурацию, заставляя половинки бочки раскрыться и обнажить её содержимое (полезную нагрузку). Контейнер может нести различные типы грузов, включая специфические молекулы с закодированными инструкциями, способные взаимодействовать с определёнными клеточными поверхностными рецепторами.
Дуглас и Башелет использовали эту систему для доставки инструкций, закодированных в фрагментах антител, к двум разным типам раковых клеток — лейкемии и лимфомы. В каждом случае сообщение для клетки заключалось в активации её «переключателя самоуничтожения» — стандартного механизма, позволяющего устранять стареющие или аномальные клетки. Поскольку клетки лейкемии и лимфомы «говорят на разных языках», сообщения были написаны разными комбинациями антител.
Этот программируемый нанотерапевтический подход смоделирован по образцу иммунной системы организма, где белые кровяные клетки патрулируют кровоток. Эти борцы с инфекцией способны точно находить специфические клетки в бедственном положении, связываться с ними и передавать им понятные сигналы к самоуничтожению. ДНК-наноробот воспроизводит этот уровень специфичности за счёт использования модульных компонентов, где разные шарниры и молекулярные сообщения можно менять в базовой системе доставки, подобно тому как на одном шасси можно размещать разные двигатели и шины.
«Мы можем, наконец, интегрировать функции обнаружения и логических вычислений с помощью сложных, но предсказуемых наноструктур — одних из первых гибридов структурной ДНК, антител, аптамеров и металлических атомных кластеров — направленных на полезное, очень специфическое нацеливание на раковые клетки человека и T-клетки», — сказал Джордж Чёрч, главный исследователь проекта.
Поскольку ДНК — биосовместимый и биодеградируемый материал, нанотехнологии на её основе признаны перспективным механизмом доставки лекарств и молекулярных сигналов. Однако существовали серьёзные проблемы, такие как тип создаваемой структуры; как открывать, закрывать и повторно открывать её для вставки, транспортировки и доставки груза; и как программировать такого наноробота.
Новая система, впервые объединившая несколько новшеств, представляет собой значительный прорыв в преодолении этих препятствий. Например, поскольку бочкообразная структура не имеет верхней или нижней крышки, полезную нагрузку можно загружать сбоку за один шаг. Кроме того, в то время как другие системы используют механизмы высвобождения, реагирующие на ДНК или РНК, здесь применяется новый механизм, реагирующий на белки, которые чаще встречаются на поверхности клеток и во многом ответственны за передачу сигналов через мембрану. Наконец, это первая система на основе ДНК-оригами, использующая фрагменты антител для передачи молекулярных сообщений, что позволяет контролируемо и программируемо воспроизводить иммунный ответ.
«Эта работа представляет собой крупный прорыв в области нанобиотехнологии, поскольку демонстрирует возможность использовать последние достижения в области ДНК-оригами для решения реальной задачи — уничтожения раковых клеток с высокой специфичностью», — сказал Дональд Ингбер, директор-основатель Института Висса.