Лента TH Новости Биоинженерия



Создан новый тип ДНК, запрограммированный на искусственную эволюцию

∴ 296

ДНК, что является основой жизни всех существ на планете, все чаще используется в качестве строительного материала для нанороботов. Существовавшие до сегодняшнего дня нанороботы были неплохими, но их размер был слишком крупным для интеграции в живые организмы. Новое открытие позволяет создавать размножающиеся колонии, что проникают вглубь тела и способны доставлять лекарства, регенерировать ткани или уничтожать метастазы и опухоли. Как именно удалось создать такие структуры, и планируют ли их испытывать уже сейчас – дальше по тексту.

834

Нанороботы создаются из разных структур. Например, есть рабочие мозговые нано-импланты, позволяющие считывать активность нейронов мозга. Это тысячи искусственных датчиков, что независимо друг от друга перемещаются в крови. Но эти нанороботы сделаны из искусственных материалов, склонных к окислению, разрушению и отторжению.

Новые нанороботы построены исключительно на основе ДНК и делятся на группы по спецификации.

Первая группа. Флуоресцентные метки для сверхточной диагностики. Ученые используют гены, отвечающие за флуорисцентность. Вводя раствор с данными генами в организм, ученые диагностируют очаги воспаления и видят масштаб болезни. Также эта технология позволяет отслеживать, как определенный препарат перемещается в организме.

Вторая группа – роботы-транспортеры. Они способны двигаться по поверхностям из микрочастиц, неся контейнер медикаментов. Данные роботы контролируются извне, с помощью инфракрасного или ультрафиолетового света. Также их можно запрограммировать двигаться на тепло или отслеживать конкретные химические соединения.

Такие роботы недавно были улучшены. Их разработали ориентируясь на модульную структуру. Из одного набора генов можно построить структуру с несколькими парами «рук», для удержания контейнера. Или оснастить несколькими парами ходунков, для более быстрого перемещения.

Третья группа это сами «контейнеры на основе ДНК». Их программируют отдельно, снабжая сенсорами, реагирующими на химический состав окружающей среды. Именно поэтому контейнеры получили характеристику «интеллектуальные». Контейнер, сформированный на основе ДНК, раскрывается и выпускает действующее вещество. Интеллектуальность заключается в уместности. Выброс медикамента происходит только при достижении очага воспаления.

Четвертая группа нанороботов позволяет создавать все вышеперечисленные группы, в крайне сжатые сроки и с минимумом ресурсов. Это специальные строительные блоки, которые объединяются между собой, создавая целую фабрику, для производства других нанороботов. Такие фабрики используют в сферах оптики и электроники, для создания крайне специфического оборудования.

Отдельно стоит заметить, что современные нанороботы обретают всё больше функций. Они способны не просто слепо двигаться в организме по току жидкостей, но и плыть против течения (той же крови), ориентируясь либо на свет, либо на химическую составляющую организма

Но при создании любых нанороботов, всё упирается в размер готового продукта и количество его компонентов. Чем компонентов больше, тем эффективнее наноробот. Но при этом растет его объем, и наноробот не способен полноценно двигаться в организме.

Именно поэтому, до недавнего прорыва, ученые были в тупике.

Чтобы развивать функции не жертвуя размером, исследователи из Института биологии имени Висса (что входит в структуру Гарвардского университета) разработали способ, позволяющий связывать фрагменты ДНК в более сложные трехмерные структуры. Ране, для этого требовалось создание вспомогательных компонентов, созданных не из ДНК.

В 2012 году Пэн Инь и его команда из Института биологии имени Висса представили альтернативный метод, основанный на «блоках» ДНК. Данные блоки не используют вспомогательные структуры, а самостоятельно организуются в заданные формы. Методы организации – крайне схожие со складыванием оригами в заданные формы.

Но здесь опять всё упирается в размер. Чем меньше функциональный блок – тем меньше, и эффективнее, создаваемый наноробот. Также стоит учитывать и атомарные\молекулярные силы. Робот должен быть достаточно сильным, чтобы не только переносить груз, больший его самого в 165 раз, но и суметь распрощаться с грузом или не прилипнуть к какому-либо белку.

Как сообщается в Nature, сегодня команде удалось на два порядка перепрыгнуть возможности собственной технологии. Это позволило создать фрагменты ДНК, способные самоорганизовываться в трехмерные наноструктуры, которые в 100 раз сложнее, чем те, которые были созданы с использованием уже существующих методов.

ДНК-оригами и вспомогательные блоки первого поколения самоорганизуются из сотен уникальных компонентов для получения наноструктур, масса которых исчисляется в МегаДальтонах, в то время как новый подход позволяет собирать структуры массой в ГигаДальтон, что в тысячу раз больше представителей предыдущего поколения.

Но главная особенность не только в размере. Если бы ученые создали такое соединение на пике своего потенциала – это одно. Однако, помимо прорыва, исследователи разработали удобные вычислительные инструменты для разработки ДНК-наноструктур. При этом инструмент разработки ориентирован на использование в медицине и технике.

Принцип и многообещающие возможности нашей самосборной ДНК первого поколения заставили задаться вопросом, «можем ли мы улучшить систему?» Ведь мы и так стоим на пороге создания более сложных наноструктур с более широкими зонами применения и улучшенным контролем. И нам удалось воплотить проект в жизнь. Мы создали доступную и работающую платформу, которая позволяет исследователям с разными интересами и сферами работы создавать молекулярный холст из 10 000 фрагментов ДНК и использовать его для создания наноструктур с беспрецедентной сложностью и потенциалом.Иин, доктор философии, ведущий преподаватель Института Висса, один из лидеров Инициативы по молекулярной робототехнике и профессор системной биологии Гарвардской медицинской школы.

Технология самосборных ДНК фрагментов основана на стабильной и высокопрограммируемой природе ДНК. Один ДНК-фрагмент представляет собой короткую цепь синтетической ДНК, состоящую из предопределенной последовательности четырех универсальных нуклеотидных оснований: аденина (A), цитозина (C), гуанина (G) и тимина (T).

Исследователи Института Висса создают большие 3D-наноструктуры, складывая различные фрагменты, каждый из которых несет свою уникальную последовательность нуклеотидов. Со стороны это выглядит словно магнитные кубики LEGO. Две разные последовательности, созданные инженерами, будут притягиваться друг к другу, задавая форму всей структуры синтезированной ДНК.

В новой версии технологии, варьируя длину отдельных доменов ДНК, ученые увеличили разнообразие среди возможных фрагментов, которые, и синтезируются гораздо сильнее друг с другом. В исследовании также было разработано удобное для пользователя программное обеспечение, поэтому создатели новых нанороботов могут просто вводить требуемую трехмерную форму и автоматически получать список последовательностей ДНК-фрагментов, которые могут быть синтезированы и использованы для формирования желаемой структуры. Собрать личную наноструктуру на дому, с использованием 3D биопринтера, становится все проще.

Мы продемонстрировали возможности нашей технологии, построив массивные кубоиды, содержащие до 30 000 фрагментов. Так же, мы продемонстрировали несколько образцовых форм, которые могут быть построены из подмножеств этого детища. Примечательно, что фрагменты способны отличать десятки тысяч потенциальных партнеров найти правильные соединения, заданные инженерами. Нам было интересно увидеть, что метод ДНК-фрагментов можно использовать для создания довольно сложных структур, таких как скульптура медвеженка, слово «LOVE» или лента Мёбиуса.Соавтор исследования, Лувена Онг, доктор философии, бывшая аспирантка в лаборатории Инь и исследователь в Bristol-Myers Squibb.

Команда Инь сотрудничала с учеными Национального центра научных исследований (CNRS), Французского национального института здравоохранения и медицинских исследований (INSERM) и учеными Института биохимии им. Макса Планка в Мюнхене, Германия, чтобы охватить весь спектр современных методов микроскопии для визуализации разработанных форм.

Формы, состоящие из ДНК-фрагментов, представляют большой интерес, поскольку они дают возможность разрабатывать наноконтейнеры, в которых биомолекулы, такие как белки, могут размещаться в строгой последовательности с заранее запрограммированной инструкцией поведения. Это позволяет глубже изучить их взаимодействия и использовать с большей эффективностью. Добавляя функциональные фрагменты к ДНК-фрагментам, которые могут выполнять сборку и ферментативные процессы, мы можем превратить их в мощные инструменты для коммерческих и биомедицинских процессов нанообработки в новом масштабе.Соавтор исследования Йонганг Ке, доктор философии, который разработал первую платформу ДНК-фрагментации.

В заголовке статьи указывалось, что нанороботы способны эволюционировать и это действительно так. Обладая запрограммированной структурой, они адаптируются под изменения окружающей среды. Учитывая данную закономерность, мы можем создавать нанороботов с заданным параметром ограниченной эволюции и кооперации. Это позволит искусственным созданиям органично синтезироваться с организмом и выполнять заданные функции с высокой эффективностью и меньшим шансом на отторжение.

Исследователи полагают, что в будущем этот метод может также использоваться для создания больших наноструктур со специфичными внешними поверхностями. Способ эволюции технологии сборных ДНК-фрагментов показывает, как глубоко могут проникнуть ученые в сфере ДНК-нанотехнологий. Конечным результатом могут быть как новые вирусы или лекарства, так и фундаментальные изменения природы человеческого организма.

Филипп Дончев