Через 5 лет технология ДНК-оригами позволит управлять функциями человеческого организма

Ученые разработали на основе нитей ДНК программируемых нанороботов, которые могут работать внутри живых клеток. Потенциал новой технологии огромен: от диагностики и лечения онкологических заболеваний, до контроля поведения человека.

Команда исследователей из Университета Бар-Илан в Израиле успешно продемонстрировала возможность использования нитей ДНК для создания нанороботов, функционирующих внутри живого таракана. По словам разработчиков, через 5 лет подобные технологии можно будет применять и к людям.

В своей работе, опубликованной в Nature Nanotechnology, ученые описывают процесс создания нескольких нанороботов на основе нитей ДНК, введенных в живых тараканов. Нанороботы работали вместе, как единый компьютер, имеющий возможность влиять на функции организма с помощью различных молекул.

Предыдущие исследования показали, что нити ДНК можно программировать, создавая из них простейшие компьютерные цепи, способные выполнять элементарные математические задачи. Израильские ученые впервые продемонстрировали возможность подобного программировании непосредственно внутри живого организма. Потенциал нанороботов из ДНК огромен, например они могут обнаруживать и самостоятельно уничтожать раковые клетки, или с помощью специальных ферментов «атаковать» токсичные молекулы, например алкоголя, защищая организм от отравления. Также, в будущем, нанороботы могли бы выпускать молекулы антидепрессантов и транквилизаторов в ответ на состояние агрессии – в некоторых случаях это может быть хорошей альтернативой тюрьмам и другим исправительным учреждениям, ограничивающим свободу.

Через 5 лет технология ДНК-оригами позволит управлять функциями человеческого организма

Нити ДНК могут быть запрограммированы благодаря их естественной способности реагировать на различные белки. В новом исследовании ученые «размотали» нити ДНК, а затем «связали» их в новую структуру наподобие коробки-оригами. В полученную «коробку» поместили по одной химической молекуле. Ученые создали несколько вариантов таких «коробок», взаимодействующих друг с другом и белками внутри таракана. Смысл этих манипуляций в том, чтобы создать несколько сценариев, которые автоматически откроют «коробку» при столкновении с определенными белками. Добавление нескольких наноструктур, взаимодействующих с белками, позволяет увеличить количество возможностей нанороботов. Например можно создать сценарий, в котором «коробка» выпустит молекулу в случае обнаружения сразу трех видов белков. При этом один белок может быть естественным, а два других – принесенными нанороботами других типов. За счет сочетания подобных комбинаций можно осуществлять довольно сложное программирование сети нанороботов. Проще говоря, простейшие ДНК-устройства могут проводить различные вычислительные операции внутри живого организма. Потенциально это дает возможность создать внутри организма искусственную сигнальную сеть, реагирующую на самые разные раздражители и способную мгновенно вмешиваться в функции организма. С помощью существующих технологий, например оптогенетики или вживляемых сенсоров, эту сеть можно соединить с внешними электронными устройствами, например с целью оперативного обнаружения тех или иных признаков болезней.

В ходе экспериментов, исследователи «настроили» ДНК-оригами для соединения с молекулами гемолимфы, которые находятся внутри сосудистой системы таракана. Все вводимые в таракана нанороботы были помечены флуоресцентным маркером, и исследователи сообщили, что все роботы исправно выполняли заложенную в них программу и открывали «коробку» в соответствии со сценарием. Эксперименты были настолько успешными, что ученые выразили уверенность в проведении испытаний технологии на людях в течение 5 лет.

Биологические системы представляют собой наборы молекул, которые перемещаются и взаимодействуют друг с другом. Клетки выполняют сложные процессы, строго контролируя эти взаимодействия. Создание машин, способных управлять данными взаимодействиями дает возможность создавать сложные логические схемы, регулирующие функции организма.