Ученые создали наноробот из ДНК для диагностики заражения вирусами
Наноробот-манипулятор, сконструированный из ДНК, разработали и исследовали ученые из Иллинойсского университета в Урбана-Шампейне, 27 ноября сообщает пресс-служба университета.
Крошечная четырехпалая «ручка», сложенная, как оригами, из одного фрагмента ДНК, способна захватить вирус, например, вызывающий COVID-19, для высокочувствительного быстрого обнаружения его в организме и даже может блокировать проникновение вирусных частиц в клетки, предотвращая их заражение, сообщают исследователи.
Названная разработчиками NanoGripper, эта «рука» также может быть запрограммирована на взаимодействие с другими вирусами или на распознавание маркеров клеточной оболочки для целенаправленной доставки лекарств, в том числе для лечения рака.
Под руководством профессора биоинженерии и химии в Университете Иллинойса Син Вана, вдохновленные силой захвата человеческой руки и птичьих когтей исследователи спроектировали NanoGripper с четырьмя сгибаемыми пальцами и «ладонью», всё в одной наноструктуре, сложенной из одного фрагмента ДНК. Каждый палец, как и человеческий, имеет три сустава, а угол и степень изгиба определяются конструкцией на матрице ДНК.
«Мы хотели создать наноробот из мягкого материала с невиданными ранее функциями захвата, который мог бы взаимодействовать с клетками, вирусами и другими молекулами в биомедицинских целях, — рассказал Ван. — Мы используем ДНК из-за ее структурных свойств. Она прочная, гибкая и программируемая. Но даже в области ДНК-оригами это является новинкой с точки зрения принципа конструирования. Мы складываем одну длинную нить ДНК вперед и назад, чтобы сделать все элементы, как статические, так и движущиеся, за один шаг».
Пальцы наноробота содержат участки, называемые ДНК-аптамерами, которые специально запрограммированы на связывание с молекулярными мишенями (для этого первого применения белком — шипом вируса, вызывающего COVID-19) и заставляют пальцы сгибаться, чтобы обхватить мишень.
С противоположной стороны, где у человека располагается запястье, NanoGripper может прикрепляться к поверхности или другому более крупному комплексу для биомедицинских приложений, таких как зондирование или доставка лекарств.
Чтобы создать датчик для обнаружения вируса COVID-19, команда Вана объединилась с группой во главе с профессором электротехники и компьютерной инженерии из Иллинойского университета Брайаном Каннингемом, который специализируется на биосенсорике.
Вместе они соединили NanoGripper с платформой фотонно-кристаллического датчика, чтобы создать быстрый 30-минутный тест на COVID-19, соответствующий чувствительности золотого стандарта молекулярных тестов qPCR, используемых в больницах, которые точнее домашних тестов, но занимают гораздо больше времени.
«Наш тест очень быстрый и простой, поскольку мы обнаруживаем неповрежденный вирус напрямую, — отметил Каннингем. — Когда вирус удерживается в руке NanoGripper, флуоресцентная молекула активируется, чтобы испустить свет при освещении светодиодом или лазером. Когда большое количество флуоресцентных молекул концентрируется на одном вирусе, он становится достаточно ярким для нашей системы обнаружения, чтобы можно было подсчитать каждый вирус».
Помимо диагностики, наноробот может применяться в профилактической медицине, блокируя проникновение вирусов и заражение клеток, указал Ван. Исследователи обнаружили, что при добавлении NanoGripper к клеточным культурам, которые затем подвергались воздействию COVID-19, несколько захватов оборачивались вокруг внешней части вирусов. Это блокировало взаимодействие вирусных шиповидных белков с рецепторами на поверхности клеток, предотвращая заражение.
Хотя после заражения применять NanoGripper для лечения было бы очень сложно, но, отметил Ван, «есть способ использовать его в качестве профилактического терапевтического средства. Мы могли бы создать противовирусный назальный спрей. Нос — это очаг респираторных вирусов, таких как COVID или грипп. Назальный спрей с NanoGripper может предотвратить взаимодействие вдыхаемых вирусов с клетками в носу».
По словам Вана, NanoGripper можно легко спроектировать для борьбы с другими вирусами, такими как грипп, ВИЧ или гепатит В. Кроме того, Ван предполагает использовать NanoGripper для целевой доставки лекарств. Например, пальцы этого наноробота можно запрограммировать на определение конкретных маркеров рака, а захваты могут доставлять противораковые препараты непосредственно к целевым клеткам.
Для этого, сказал Ван, «есть некоторые корректировки, которые нам придется сделать с 3D-структурой, стабильностью и целевыми аптамерами или нанотелами, но мы разработали несколько методов, чтобы сделать это в лаборатории. Конечно, это потребует множества испытаний, но потенциальные приложения для лечения рака и чувствительность, достигнутая для диагностических приложений, демонстрируют мощь мягкой наноробототехники».
Исследователи представили свою разработку в статье «Биосконструированный ДНК-нанозахват для обнаружения вирусов и их потенциального подавления» (Bio inspired designer DNA NanoGripper for virus sensing and potential inhibition), опубликованной в журнале Science Robotics.
