От живых компьютеров к нанороботам: где еще можно применить ДНК?

ДНК — одна из самых невероятных молекул в природе, в которой содержатся инструкции, необходимые для создания практически любой формы жизни на Земле. Ученые ищут другие применения ДНК, используя ее не только для хранения информации, но и для создания физических компонентов биологических машин.

Дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, переносит генетическую информацию, которая нужна нам и всем живым организмам. Вы знаете ее как знаменитую двойную спираль, состоящую из двух одноцепочечных молекул ДНК. Каждая из них состоит из серии молекулярных компонентов четырех разных типов: аденина (А), гуанина (G), тимина (T) и цитозина (C).

Гены состоят из различных последовательностей этих компонентов, а порядок, в котором они проявляются в цепочке ДНК, кодирует генетическую информацию. Точно проектируя различные последовательности A, G, T и C, ученые недавно смогли разработать новые способы складывания ДНК в форме типа оригами, не только в традиционную двойную спираль.

Такой подход открывает новые возможности использования ДНК, не считая ее генетического и биологического назначения, превращения ее в материал типа LEGO для строительства наномасштабных объектов (размерами в несколько миллиардных долей метра). Материалы на основе ДНК уже используются в электронных наноустройствах и точной перевозке лекарств в больные клетки.

Нанотермометры на основе ДНК

Создание электронных устройств нанометровых размеров открывает кучу возможностей применения, но обнаруживать дефекты становится труднее. Чтобы решить эту проблему, ученые Университета Монреаля использовали ДНК для создания сверхчувствительных наноразмерных термометров, которые смогут помочь найти миниатюрные горячие точки в наноустройствах (которые укажут на дефект). Их также можно использовать для определения температуры внутри живых клеток.

Нанотермометры делают из петель ДНК, которые выступают в роли переключателей, сворачиваясь и разворачиваясь в ответ на изменения температуры. Это движение можно обнаружить, присоединив к ДНК оптические зонды. Затем ученые хотят встроить эти нанотермометры в более крупные ДНК-устройства, которые смогут работать внутри человеческого тела.

Биологические нанороботы

Ученые из Гарвардской школы медицины использовали ДНК для проектирования и строительства наноразмерного робота, который выступает в качестве переносчика лекарств в целевые клетки. Наноробот выполнен в форме открытой бочки из ДНК, две половинки которой соединены одним шарниром с рычажками из ДНК. Эти рычажки могут распознавать комбинации определенных белков, присутствующих на поверхности клетки, которые связаны с болезнями.

Когда робот вступает в контакт с нужными клетками, он открывает контейнер и высвобождает груз. Применяя таких роботов к смеси здоровых и раковых человеческих кровяных клеток, ученые смогли выделить и убить половину раковых клеток, оставив здоровые клетки неповрежденными.

Биокомпьютеры в живых животных

Поскольку структуры ДНК могут действовать как переключатели, переходя из одного положения в другое, их можно использовать для выполнения логических операций, которые лежат в основе компьютерных вычислений. Ученые из Гарвардского университета и Университета Бар-Илан в Израиле использовали этот принцип для строительства различных наномасштабных роботов, которые могут взаимодействовать между собой, используя переключатели ДНК для производства различных сигналов.

Более того, ученые имплантировали этих роботов в живое животное — таракана. Это позволило им разработать новый тип биологического компьютера, который может контролировать доставку терапевтических молекул внутри таракана, переключая элементы их структур, вкл/выкл. Теперь ученые планируют испытать этих нанороботов на основе ДНК в организме человека.

Светособирающие антенны

Помимо создания миниатюрных машин, ДНК можно использовать для воспроизводства природных процессов в наномасштабах. Например, природа может впитывать энергию солнца, используя фотосинтез для преобразования света в химическую энергию, которая выступает топливом для растений и других организмов (и животных, поедающих их). Ученые из Университета штата Аризона и Университета Британской Колумбии построили структуру ДНК, способную улавливать и передавать свет, имитируя процесс фотосинтеза.

Фотосинтез протекает в живых организмах, благодаря крошечным антеннам, состоящим из большого числа пигментных молекул, расположенных определенным образом, способных поглощать видимый свет. Искусственные структуры на основе ДНК выступают как подобные антенны, контролируя положение определенных молекул красителя, которые поглощают энергию света и проводят ее в центр реакции, где тот преобразуется в химическую энергию. Эта работа может проложить путь к устройствам, способным более эффективно использовать самый обильный источник энергии, который у нас есть: солнечный свет.

Что будет дальше? Пока не знаем. Но природа наделила нас универсальным инструментом в виде ДНК. Осталось только научиться им пользоваться.

От живых компьютеров к нанороботам: где еще можно применить ДНК?
Илья Хель