В начале февраля 2012 года в американском журнале Science была опубликована статья, посвященная программе создания моноустройства, которое сможет находить и уничтожать раковые клетки в популяции клеток здоровых. Еще раньше, в 2006 году сотрудник Калифорнийского технологического института Пол Ротемунд опубликовал в журнале Nature статью, в которой впервые показал, что трехмерные сооружения можно строить (более того – что они могут строится сами собой) из молекул ДНК. Этот метод Ротемунда получил название «ДНК-оригами» и был быстро подхвачен другими исследователями. Сегодня он является одним из самых перспективных направлений в той части нанотехнологии, которая называется ДНК-нанотехнологией и занимается всеми способами создания наноразмерных структур из молекул ДНК (например, нанотранзисторов, наносенсоров, нано роботов и т.д.)
Молекула ДНК оказалась особенно удобной для создания наноразмерных структур в силу некоторых своих особенностей. Каждая такая молекула – это очень длинная цепь химических звеньев (нуклеотидов) четырех разных типов – А, Г, Ц и Т. В такой цепи могут быть миллионы звеньев, и ее большая длина позволяет строить из одной молекулы достаточно сложные структуры. Второй важной особенностью ДНК является химическое сродство ее нуклеотидов. Их химические и геометрические свойства таковы, что нуклеотид Т прочно связывается с А, а Г – с Ц. Это создает возможность изгибать цепочку и удерживать ее в изогнутом состоянии. Для такой цели используется короткая цепочка из тех же нуклеотидов, называемая ДНК-олигомером. Такой олигомер, состоящий из нескольких десятков или сотен звеньев можно создать искусственно, в пробирке, задав ему любое нужное расположение нуклеотидов. Его концы (например, нуклеотиды А и Г) можно химически присоединить к любым двум местам длинной цепи, где стоят «родственные» им нуклеотиды Т и Ц. Если эти места далеки друг от друга, а олигомер достаточно короток, то для такого присоединения потребуется изогнуть длинную цепь и сблизить те ее участки, где должны крепиться концы олигомера. Но потом, соединившись с этими участками, олигомер будет уже сам удерживать цепь в таком изогнутом состоянии. Иными словами, он будет работать как связка.
Ротемунд поначалу показал, как можно использовать эти особенности ДНК для создания плоских структур. Первыми такими структурами, которые он создал, были «смайлики» схематически изображенные улыбающиеся личики), а затем грубые карты Америки и Европы. Эти изображения были получены следующим образом. В компьютере рисовался пустой квадрат («растр»), внутрь которого «укладывалось» затем изображение какой-нибудь известной вирусной ДНК, то есть достаточно длинной цепи нуклеотидов с известным порядком их чередования. Понятно, что цепь при этом приходилось многократно изгибать. Такая укладка позволяла увидеть, какой нуклеотид находится в той или иной точке растра. Затем поверх цепи рисовался «смайлик». Этот рисунок давал возможность увидеть, на какие нуклеотиды попадают «глазки», «ротик» и другие части будущего ДНК-изображения. Выяснив это, можно было понять, к каким участкам вирусной ДНК нужно присоединить «связки», чтобы эта цепь изогнулась в виде смайлика. Полученные данные вводились в компьютер, который рассчитывал по ним, какой длины и какого состава олигомеры нужно создать, чтобы удержать всю цепь вирусной ДНК в нужном виде, причем одним-единственным образом. Эти олигомеры создавались в отдельной пробирке. Затем вирусную ДНК и олигомеры смешивали в другой пробирке и они сами собой соединялись в нужных местах, образуя желаемый смайлик (его можно было увидеть с помощью специальных микроскопов, атомно-силового или туннельного).
Первые ДНК-оригами доказали огромную перспективность метода и это породило поток продолжений. Прошло всего три года, и группа американских, немецких и датских ученых сумела создать тем же методом крайне важные – уже в прикладном смысле – трехмерные ДНК-структуры. С помощью 250 олигомерных перемычек они «связали» из длинной ДНК шесть плоских квадратиков и соединили их в виде наноящичка с открывающейся крышкой.
В статье, о которой шла речь в начале, был сделан очередной шаг к практическому использованию ДНК-оригами для борьбы с раковыми клетками. Но для того, чтобы понять, в чем состоит новизна этого шага, следует сделать небольшое отступление. Уже в 2009 году ставилась цель использовать ДНК-ящички для доставки лекарственного груза в нужные места организма. Ящички эти делались такого размера, чтобы в них умещались достаточно большие молекулы, обладающие способностью так или иначе убивать раковые клетки. Кроме того, эти ящички обладали своего рода «замками», которые позволяли крышке ящичка открываться только в присутствии раковых клеток, не раньше. Эти «замки» были впервые придуманы еще в 1990 году гарвардским биохимиком Шостаком. Создав в пробирке случайную смесь ДНК-олигомеров, он вводил в эту смесь различные биологические молекулы (то есть белки, которые производятся в живом организме) и смотрел, с каким олигомером та или иная такая молекула соединяется. После этого можно было использовать этот олигомер как средство распознания данной биомолекулы в любом научном эксперименте, где она появлялась. Шостак назвал эти распознающие ДНК-олигомеры «аптамерами» и первым применил один такой аптамер для опознания белка тромбина, играющего важную роль в свертывании крови. Уже через несколько лет ведущие фармацевтические фирмы начали работы по созданию лекарств с присоединенным к ним апамером, призванным «наводить» это лекарство на тот белок, который «повинен» в той или иной болезни. К сожалению, эффективность всех этих лекарств пока, по ряду причин, не оправдывает возложенных на них надежд.
Так вот, первые ДНК-ящички тоже были снабжены замком в виде аптамера, призванного «распознавать» определенный белок на поверхности раковой клетки и соединиться с ним. В процессе такого соединения аптамер должен приподнять крышку ящичка и выпустить наружу находящуюся в нём молекулу, призванную убить раковую клетку. Уже тогда было указано, что у такого «замка» есть недостатки – он может открываться преждевременно, потому что аналогичный белок может встретиться ему в другом месте, на какой-нибудь другой клетке или в свободном виде. Упомянутая выше работа как раз и была направлена на преодоление этого недостатка и сделала в этом направлении весьма существенный шаг. В этой работе ДНК-оригами был сконструирован по компьютерной программе, в соответствии с которой ДНК и олигомеры сами собой складывались в пространственную структуру, имеющую вид «бочонка» диаметром 35 нанометров. Внутри этой структуры находятся 12 «крючков» (особых олигомеров) для «подвешивания на них 12 разных видов противораковых молекул, а снаружи расположены еще два таких же «крючка» – для двух аптамеров. Эти два аптамера являются своего рода «замком с шифром»: «бочонок» открывается лишь в том случае, если они оба найдут свои цели на поверхности подозрительной клетки.
Было испробовано шесть разных комбинаций по два аптамера, каждая из которых была сконструирована специально для распознания белков на разных видах раковых клеток. Оказалось, что, например, те «замки», которые были рассчитаны открываться в присутствии клеток лейкемии, действительно находили эти клетки в смеси нескольких видов злокачественных клеток – ошибок не было. Аналогичный результат был получен для «замков», предназначенных открывать «бочонок» при контакте с той или иной иммунной клеткой (в этом случае груз «бочонка» был предназначен для активации работы этих клеток). Более того, эти аптамеры можно запрограммировать так, чтобы они открывались только при контакте с раковой клеткой, находящейся на том или ином этапе её развития (то есть на том или ином этапе заболевания). Это свидетельствует о том, какие обнадеживающие возможности таятся в способности ДНК-структур поддаваться программированию.
Теперь на очереди – испытание нового наноробота в условиях живого организма. Здесь есть свои трудности, пути преодоления которых ещё потребуют, возможно, дальнейших исследований. Препятствий много. Но и новые пути обнаруживаются очень быстро. Ещё год назад считалось, что очень серьёзной трудностью является доставка нанороботов внутрь раковой клетки (потому что бывают случаи, когда мишени тех противораковых молекул, что спрятаны в ДНК-оригами, находятся не на поверхности злокачественной клетки, а внутри неё). Но вот в середине 2011 года группа оксфордских исследователей создала очередную такую структуру, которая при проверке в пробирке показала способность проникать внутрь раковых клеток определенного типа и сохраняться там в течение почти 48 часов. Так что путь к преодолению этой трудности уже наметился.
Может быть, недалек тот час, когда ДНК-оригами начнут эффективно и широко служить человечеству.
Источник: Знание-сила №1. 2013 г.
