Человечество стремится к новым мирам, как в макро-, так и в микрокосме. Ученые всех стран пытаются создавать все более совершенные инструменты для исследования окружающего мира. В том числе – самого человека. В числе разработок, представленных на соискание международной Премии RUSNANOPRIZE-2016 есть и те, которые как раз помогают получить больше информации о живой материи.

Сферические ДНК – визуализация активности генов в живых клетках.

Одна из работ связана с необычной формой упаковки молекул ДНК. Оказалось, что пришивание коротких ниточек ДНК к золотой наночастице делает эти короткие ниточки менее заметными для охранных систем живой клетки. В результате были созданы универсальные наночастицы-сенсоры. По строению такой сенсор похож на щетку – твердая золотая наночастица внутри и «волоски» ДНК, торчащие во все стороны.

Принцип работы сенсора основан, во-первых, на уникальности кода ДНК, т.е. уникальной последовательности блоков-нуклеотидов, составляющих полимерную цепочку. А во-вторых – на особенности ДНК, которая состоит в том, что определенные блоки могут «склеиваться» друг с другом. Если у двух полимерных цепочек есть короткие комплиментарные участки – т.е. такие, которые могут «приклеиться» друг другу, такие две цепочки могут связаться друг с другом, но связь не будет прочной. Если же две цепочки имеют полностью комплиментарные последовательности, они «склеятся» с высокой прочностью.

В нашем случае одна из двух комплиментарных цепочек пришита к золотой частице, а вторая держится только благодаря своей комплиментарности. Причем эта вторая ниточка несет на себе флуоресцентную метку. Когда меченая цепочка находится в связанном состоянии метка не активна. Но, если такая меченая цепочка отсоединится от своей «второй половинки» и окажется в свободном состоянии в растворе – метку можно будет зарегистрировать. Отсоединиться же комплиментарная цепочка ДНК может только в том случае, если рядом с такой «парой» окажется другая ниточка ДНК или РНК, которая несет точно такую же комплиментарную последовательность нуклеотидов.

На этом принципе и основано действие сенсора. Попадая в внутрь клетки, эта «щетка» начинает «чувствовать» наличие в клетке ДНК или РНК с комплиментарными последовательностями. Напомним, что в последовательности структурных блоков ДНК закодированы гены, т.е. последовательности, опосредованно задающие структуру белков. А молекула РНК – это как раз один из «посредников», она несет в себе точный комплиментарные «слепок» последовательности одного гена. Если в клетке обнаруживается РНК с некоторой данной последовательностью, это значит, что ген с комплиментарной последовательностью в данный момент работает – считывается и участвует в организации жизни данной клетки.

Таким образом, золотые наночастицы с нитками ДНК в виде сферической щетки – это датчики на активность конкретных генов. Мы добавляем такие частицы в клетку и, если ген активен, мы регистрируем сигнал флуоресцентной метки.

Диагностика заболеваний – экзосомы.

Одним из наиболее востребованных и понятных для большинства людей видов исследовательской информации о живом организме является информация о наличии и степени тяжести заболеваний, т.е. диагностические методы исследования. Диагностика заболеваний, как правило, осуществляется на организменном уровне – ведь человек, обычно, не знает, что происходит у него в клетках, но замечает неполадки, когда болезнь затрагивает большие функциональные блоки – системы, органы, взаимосвязи разных частей организма. Пожалуй, самым распространенным объектом для диагностических исследований служит кровь – жидкость, которая постоянно перемещается по всему организму, питает, насыщает кислородом и очищает от шлаков все без исключения органы, ткани и клетки.

Одна из работ посвящена диагностике раковых заболеваний по определению в крови экзосом. Это наноразмерные мембранные пузырьки, которые секретируются в кровь любыми клетками, но у раковых содержимое экзосом отличается. Поэтому по наличию специфичных экзосом в крови можно обнаружить опухоли, даже на самой ранней стадии заболевания, когда их еще не удается увидеть другими методами. Для многих видов рака стадия диагностики принципиальным образом влияет на прогноз для пациента: если обнаружить опухоль рано, то прогноз положительный, если позже, то не очень.

Иммуноподписи.

Общеизвестная функция крови – защитная. Так называемый гуморальный иммунитет представляет собой миллионы специальных белковых молекул – антител, каждая из которых распознает свою специфичную мишень. Если такая мишень в крови появляется, защитная молекула к ней «приклеивается», а соединенный комплекс находят и уничтожают специальные клетки. Но баланс, соотношение защитных антител с различной специфичностью, может характеризовать состояние организма.

В одной из заявок описана технология иммуноподписей, которые могут быть специфичны для целого ряда заболеваний. «Подпись» – это рисунок, сочетание интенсивности цветных сигналов из нескольких сотен тысяч точек. Каждая точка – это специально синтезированный и закрепленный на поверхности чипа кусочек белка – пептид – к которому может иметь специфичность одно из антител. На чипе в заводских условиях наносится огромный массив пептидных точек. Поскольку размеры каждой точки измеряются микронами, а расстояние между точками всего 1 нм, весь чип получается миниатюрным – для исследования достаточно одной капли крови! И по рисунку, который возникает на чипе, можно одновременно диагностировать до 50 распространенных заболеваний, включая самые распространенные разновидности рака, диабет первого типа, болезнь Альцгеймера и многие другие.

Секвенирование ДНК и перспективы создания гибридных организмов.

Две технологии, представленные на соискание премии этого года, могут рассматриваться как основа для конструкций синтетических биомашин. Одна из технологий возникла из наблюдений за биологическими же системами – бактериофагами, вирусами, которые охотятся на бактерий. Оказывается, бактериофаги создали необычный тип роторного мотора, который они используют для сворачивания своей ДНК. Роторный мотор – это универсальный конструктивный блок, который понятен инженерам-не-биологам, а значит, это один из первых кандидатов для встраивания в будущие биосинтетические организмы.

Там же у бактериофагов была «подсмотрена» конструкция мембранной поры, которая позволяет протаскивать через мембрану длинные куски ДНК, при условии, что у них «правильная» последовательность нуклеотидов в цепочке. На основе такой поры сейчас разработан метод секвенирования, т.е. определения последовательности нуклеотидов в цепочке ДНК.

Для задачи определения последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах – ДНК и РНК – разработана еще одна технология. Она основана на определении локальной молекулярной проводимости, а нуклеотиды в цепочке нуклеиновых кислот по этому параметру как раз можно различить. Особенность технологи в том, что она использует наноэлектронные устройства на основе углеродных наноматерилов – графена и углеродных нанотрубок. В перспективе такие устройства можно будет встраивать в живые клетки. Вот такие углеродно-электронные блоки будут полностью синтетическими, аналогов им в живой природе до сих пор не найдено.

Биосенсоры для ветеринарии.

Те же подходы и принципы, которые применимы для изучения здоровья людей, применимы и для исследования животных. Технологии биосенсоров для выявления микроРНК (именно микроРНК яляются главным информативным компонентом экзосом в описанном выше диагностическом подходе), а также современные методы визуализации белок-белковых взаимодействий (которые лежат в основе чипов с иммуноподписью) предложены и в качестве диагностических инструментов для ветеринарной практики.

Кроме этого широкий арсенал наноразмерных датчиков исследователи приспосабливают для изучения и мониторинга качества продуктов питания. Например, по соотношению определенных газов внутри упаковки с продуктами, можно в режиме постоянного мониторинга определять степень порчи. Причем стоить такой встроенный в упаковку датчик будет достаточно мало, даже по сравнению со стоимостью упаковки, не говоря уже о стоимости самого продукта.