ДНК-роботы против рака

ДНК-роботы научились бороться с раковыми клетками

Роботы-оригами из ДНК в сложенном и разобранном состоянии

С помощью ДНК-роботов, сложенных на манер оригами, бионженерам из Гарвардского университета удалось доставить раковым клеткам «черные метки» – команду на самоуничтожение.

Исследовательская группа Уиссовского института биоинженерии при Гарвардском университете сконструировала ДНК-робота, способного отыскивать нужные мишени в смешанной клеточной культуре и передавать нужные молекулярные инструкции, например команду раковой клетке самоуничтожиться.

Такая технология, имитирующая работу иммунной системы, в будущем позволит на клеточном уровне программировать иммунные ответы при лечении различных заболеваний.

Используя метод ДНК-оригами, позволяющий создавать сложные трехмерные объекты из отдельных цепей ДНК, доктор Шоун Даглас и бывший сотрудник Уиссовского института Идо Бахелет из израильского Университета имени Бар-Илана сконструировали ДНК-робота в форме открытого с двух концов наноразмерного цилиндра. Фрагмент ДНК, играющий роль контейнера, свернут в цилиндр, удерживаемый специальными ДНК-защелками, которые открываются, распознав на клеточной мембране определенные комбинации белков, маркирующие патологию. Отыскав мишень, защелки меняют конфигурацию – цилиндр раскрывается, освобождая «послание» – заключенный внутри рабочий фрагмент антитела, взаимодействующий с определенными сигнальными рецепторами на внешней поверхности клеточной мембраны.

Используя ДНК-роботов, Даглас и Бахелет транслировали определенные «послания», спрятанные внутри цилиндров, клеткам двух разновидностей рака – лейкоза и лимфомы.

«Послания» содержали инструкции, включающие механизм самоуничтожения клеток по аналогии со стандартной иммунной процедурой по удалению из организма стареющих или нетипичных клеток. И поскольку опухолевые лейкоциты и лимфоциты понимают разные молекулярные инструкции, «послания» внутри ДНК-цилиндров представляли собой по-разному скомбинированные фрагменты антител.

Предложенная технология нанотерапевтического программирования имитирует естественный иммунный алгоритм, при котором белые кровяные клетки, постоянно патрулирующие кровоток, реагируют на чужеродные частицы, в том числе и патогенные клетки. Лейкоциты отыскивают больные клетки, прицепляются к ним и посредством специальных белков передают инструкции, приказывающие клетке самоуничтожиться. Наделяя ДНК-цилиндр различными «щеколдами» и белками-инструкторами, можно, таким образом,

создавать наноразмерные «трансформеры», запрограммированные на поиск и инструктирование различных патогенных клеток.

Специальные нуклеотидные последовательности (аптамеры) играют роль щеколды, удерживающей ДНК-цилиндр в закрытом состоянии. Аптамеры способны избирательно связываться с определенными белками (например, протеинами на поверхностях клеточных мебран), размыкая цилиндр и освобождая антитело. // Science

«В конечном итоге мы сможем сочетать в таких ДНК-устройствах различные сенсорные и логические функции, по разному комбинируя структурные фрагменты ДНК, антител, аптамеров и металлопротеинов, чтобы нужным образом воздействовать на раковые клетки и Т-лимфоциты (разновидность лимфоцитов, играющая важную роль в приобретенном иммунном ответе. – «Газета.Ru»)», – комментирует статью в Science доктор Джордж Черч, профессор генетики Гарвардской медицинской школы и ведущий исследователь проекта по созданию ДНК-роботов.

По разному настраивая ДНК-цилиндры и загружаемые в них антитела, авторы исследования заставили ДНК-роботов отыскивать правильные мишени в смешанных культурах из здоровых и раковых лейкоцитов и лимфоцитов, цепляясь к клеточным рецепторам патогенов и транслируя клеткам нужные инструкции.

Результат работы ДНК-роботов контролировался с помощью люминесцентного маркирования антител, металлопротеинов, а также посредством электронного микроскопа, позволяющего непосредственно наблюдать за конфигурацией ДНК-цилиндров.

Из-за хорошей биосовместимости ДНК-контейнеров, которые, сделав свое дело, разрушаются, не оказывая токсичного действия на организм, ДНК-роботы давно рассматриваются как одна из самых перспективных технологий в лечении онкологических и других заболеваний, требующих прицельной клеточной доставки лекарств или перепрограммирования опасных клеток-патогенов.

Главной проблемой остается выбор наиболее эффективного способа доставки и выгрузки лекарства, а также запуска той или иной инструкции.

Робот в форме открытого ДНК-цилиндра, который можно загрузить, замкнув фрагмент ДНК буквально одним «щелчком», и так же легко разгрузить, запрограммировав ДНК-щеколду на комбинацию патогенных протеинов, оставляет позади одно из главных препятствий, стоявших на пути нанотерапии. Новизна технологии заключается также в том, что, в отличие от предложенных ранее решений, такое ДНК-устройство способно реагировать не только на базовые нуклеиновые последовательности ДНК и РНК внутри патогенных клеток, но и действовать на более высоком сигнальном уровне, избирательно реагируя на маркерные белки, расположенные на внешней клеточной мембране.

Пока роботы успешно отыскивают свои мишени in vitro – в специально подготовленной культуре клеток. Понятно, что пробирочные эксперименты сильно отличаются от реальных условий, в которых придется работать ДНК-устройствам. Иммунная система будет воспринимать посторонние ДНК-объекты как чужеродные тела, поэтому роботов придется учить обходить иммунную защиту или маскировать их, например покрывая ДНК-цилиндры родными для организма протеинами. Как бы то ни было, первый шаг по пути к нанотерапии сделан: задачу по созданию логических наноустройств, основанных на ДНК, можно считать решенной.