Ученые создали самоорганизующиеся наноустройства, способные двигаться и менять форму по команде

Исследователи из Института биологически инспирированной инженерии Висса при Гарварде, Гарвардской медицинской школы и Института рака Дана-Фарбер создали наноустройства из ДНК, которые самоорганизуются и могут быть запрограммированы на движение и изменение формы. В отличие от существующих технологий, эти программируемые устройства хорошо подходят для медицины, так как ДНК биосовместима и биоразлагаема.

Работа опубликована 20 июня в онлайн-версии журнала Nature Nanotechnology.

Каждое устройство размером в одну миллиардную метра состоит из кольцевой одноцепочечной молекулы ДНК, которая при смешивании с короткими комплементарными фрагментами ДНК самоорганизуется в заданную 3D-структуру. Двойные спирали складываются в жесткие линейные стержни, соединенные одноцепочечными участками ДНК. Эти одноцепочечные «тетивы» стягивают стержни в трехмерную форму, подобно тому, как растяжки поднимают палатку. Прочность и стабильность структуры обеспечиваются балансом противодействующих сил сжатия и натяжения.

Этот архитектурный принцип — тенсегрити — существует в природе. В человеческом теле кости служат сжимающимися стержнями, а мышцы, сухожилия и связки — элементами натяжения. Этот же принцип управляет формой клеток на микроуровне.

«Эта новая технология нанофабрикации на основе самоорганизации может привести к созданию наноразмерных медицинских устройств и систем доставки лекарств, например, вирусных мимикров, доставляющих препараты прямо в больные клетки», — сказал соавтор работы и директор Института Висса Дон Ингбер. Устройство, которое раскрывается в ответ на химический или механический сигнал, может обеспечить точную доставку и высвобождение препарата.

Кроме того, нанотенсегрити-устройства потенциально смогут перепрограммировать стволовые клетки для регенерации поврежденных органов. Стволовые клетки по-разному реагируют на механические силы вокруг них. Например, жесткий внеклеточный матрикс, имитирующий кость, сигнализирует клеткам стать костной тканью, а более мягкий, похожий на ткань мозга, — нейронами. Устройства на основе тенсегрити «могут помочь нам настраивать и изменять жесткость внеклеточных матриксов в тканевой инженерии», — отметил первый автор Тим Лидл.

«Эти маленькие швейцарские ножи могут помочь нам создавать множество полезных вещей для передовой доставки лекарств и регенеративной медицины», — сказал ведущий исследователь Уильям Ши. — «У нас также есть удобная биологическая копировальная машина для ДНК, которую эволюционировала для нас природа», что упрощает производство таких устройств.

Новая технология «является ценным дополнением к инструментарию структурной ДНК-нанотехнологии», — сказал Нед Симан, профессор химии Нью-Йоркского университета.