Биохимики из Дании и США получили устойчивые ДНК-пептидные наноструктуры, из которых в перспективе планируют собирать искусственные микроорганизмы. Главное их предназначение — защищать человека от опасных вирусов.
На пути к созданию искусственных организмов
Расшифровка структуры ДНК в середине прошлого века стала одним из поворотных моментов в истории биологии. После этого ученые сосредоточили усилия на разработке методов модификации ДНК и редактирования. Сегодня в лабораториях создают аналоги сложных биомолекул, которые используют в том числе для диагностики и лечения заболеваний.
Активно развивается и совершенно новое направление в науке, связанное с искусственной жизнью. Речь, конечно, не о лабораторных монстрах из фантастических фильмов, а о химическом синтезе молекул ДНК и сборке из них клеточных наноструктур, а в будущем — и целых дизайнерских организмов. Одно из возможных применений — изготовление “живых” антивирусов.
Лекарства будущего
Природа устроена так, что практически у каждого организма есть естественные враги. Это позволяет поддерживать видовой баланс в экосистемах. Исключение — некоторые вирусы. Не встречая препятствий, они периодически начинают бесконтрольно размножаться, вызывая эпидемии. Для предотвращения этого ученые предлагают создать искусственные организмы, враждебные вирусам.
Возможно, когда-нибудь, вместо того чтобы глотать лекарства при каждой инфекции, в организм введут адаптируемый “живой” антивирус, который устранит патогены самостоятельно или в сотрудничестве с иммунной системой.
По мнению ученых, собранные из сложных биомолекул конструкции смогут также выполнять роль нанороботов для таргетной доставки препаратов или маркеров при медицинских исследованиях, диагностике, лечении рака и других опасных заболеваний.
Новое поколение нанотехнологий
Эксперты считают, что первые “живые” вакцины появятся лет через десять. Ближайшая же задача — создать структуры с определенным набором функций клеток, но из синтезированных компонентов.
Первый шаг уже сделан. В прошлом году ученые под руководством доцента кафедры физики, химии и фармации Университета Южной Дании Ченгуан Лу и профессора Ханбин Мао из Кентского государственного университета в штате Огайо сообщили о получении сложного органического соединения. Свою супермолекулу они описывают как конъюгат (слияние) ДНК и пептидов — цепочек аминокислот, из которых состоят белки.
“Объединение эти двух видов веществ дало мощный молекулярный инструмент, относящийся к новому поколению нанотехнологий”, — приводятся в
пресс-релизе слова доктора Лу.
По мнению исследователей, эти гибридные соединения вполне способны служить строительными блоками для более совершенных наноструктур.
Считается, что некий процесс, в котором участвовали нуклеиновые кислоты (строительные блоки ДНК) и пептиды (цепочки аминокислот), привел в свое время к образованию первой живой клетки на Земле. Эти две группы биомолекул и сейчас контролируют практически все биохимические реакции. Вместе они составляют основу так называемых белковых фабрик.
Чтобы контролировать внутриклеточные процессы, ученые разрабатывают технологии модификации биомолекул. При программировании ДНК обычно оперируют четырьмя главными элементами — нуклеотидами A, C, G и T. Пептидная технология более гибкая, так как позволяет работать с 20 аминокислотами. Соединить эти два инструмента — давняя мечта исследователей.
Однако получить подобные супермолекулы, способные одновременно нести генетическую информацию и выполнять в клетках роль белков, долго не удавалось из-за проблемы хиральности. Все молекулы ДНК правосторонние, а пептиды — левосторонние, поэтому в природе они не соединяются.
И вот сейчас впервые синтезировали в лаборатории правосторонний пептид, показав, что после изменения хиральности пептиды могут вступать во взаимодействия с ДНК, образуя гибриды, превосходящие по набору биохимических функций любые природные аналоги.
Сверхспособности супермолекул
На гибридные супермолекулы возлагают большие надежды. Крошечные биоботы, собранные из конъюгатов, можно закодировать на решение множества конкретных медицинских задач, в том числе таргетную доставку лекарств или стимуляцию иммунной системы. Но прежде всего это потенциальные “живые” вакцины, способные справиться с самыми страшными вирусами, так как ДНК-пептидные наносборки адаптируются как к конкретным патогенам, так и к индивидуальным особенностям организма.
Также возможно создание искусственных белков, более устойчивых, чем натуральные, к воздействию тепла, ультрафиолета и химических реагентов, а значит, более стабильных. Не исключено, что подобные соединения послужат основой препаратов нового поколения для лечения многих серьезных заболеваний, в частности болезни Альцгеймера, вызываемой нарушениями в структуре определенных белков.
“Это будет революция в медицине”, — заключает Ченгуан Лу.
Кирпичики искусственной жизни
Гибридными бионаноматериалами занимаются в разных странах. Британские ученые из Оксфордского университета, например,
разработали ДНК-пептидного нанобота, который проникает сквозь клеточную мембрану, проделывая искусственный канал для доставки препаратов и диагностических маркеров.
Биохимики из Университета штата Аризона в США, связав модифицированные пептиды и ДНК,
получили цепочечные биомолекулярные 3D-структуры микрометровой длины. И продемонстрировали, что режим самосборки подобных соединений можно программировать.
Исследователи из Северо-Западного университета в Иллинойсе
создали искусственные материалы со схожими свойствами, поместив нити ДНК в пептидный гидрогель, который применяют как имитатор внеклеточного матрикса для культивируемых клеточных культур. После добавления цепочек ДНК мицеллы коллоидного раствора самоорганизавались в иерархические структуры из биоволокон. Самое удивительное, что процесс оказался обратимым.
А израильские ученые из Университета Бен-Гуриона
выяснили, что при увеличении концентрации нуклеиновых кислот в пептидном растворе волокнистые наноструктуры сменяются стабильными сферическими конъюгатам, которые еще больше подходят на роль кирпичиков искусственной жизни.
Источник: ria.ru
