Автономные наномашины, вдохновленные природой

Вдохновленные тем, как молекулы взаимодействуют в природе, медицинские исследователи UNSW разрабатывают универсальные наноразмерные машины, позволяющие расширить функциональный диапазон.

Чтобы выдерживать сложные условия внутри живых организмов, молекулярные машины должны быть прочными и работать непрерывно в течение длительного времени. В то же время они должны адаптироваться к различным потребностям и изменяющимся условиям окружающей среды путем быстрой замены молекулярных компонентов для изменения конфигурации механизмов.

Группа специалистов под руководством профессора Лоуренса Ли из австралийского узла EMBL в UNSW Medicine & Health в области науки об одиночных молекулах сообщает в журнале ACS Nano о том, как они разработали и создали молекулярные машины с быстрой заменой компонентов и стабильностью.

"Мы применили подход синтетической биологии к этой проблеме, построив искусственную наноскопическую машину с использованием ДНК и белковых компонентов. Возможность обмена субъединицами увеличивает функциональность, как мы и наблюдаем в биологии", - сказал профессор Ли, научный сотрудник Школы медицинских наук UNSW и Центра передового опыта ARC в области синтетической биологии.

Он и его команда создали молекулярные машины путем складывания нитей ДНК в трехмерные формы - техника называется ДНК-оригами. Они показали, что их ДНК-наномашины могут переносить как ДНК, так и белковый груз, и в целом совместимы с другими биомолекулами и наночастицами. Груз связывается в нескольких местах с рецептором ДНК и может быть вытеснен новым грузом в результате процесса конкурентного связывания, когда в растворе присутствует другой груз.

Примером одной из природных машин, воплощающей парадокс стабильности и быстрого обмена, является клеточная машина, создающая копии ДНК - ДНК-реплисома. Механизм конкурентного обмена, используемый реплисомой для одновременного достижения этих противоположных свойств, был предложен в более ранней публикации в Nucleic Acid Research группой профессора Антуана ван Ойена из Университета Вуллонгонга, который также является соавтором настоящего исследования.

Профессор Ли и его команда воплотили эту теорию в жизнь, используя ДНК-нанотехнологии и белковую инженерию. Это первая синтетическая система, в которой использован так называемый принцип "многосайтового конкурентного обмена", - сказал он.

Сообщалось о других механизмах, придающих двойные свойства прочности и быстрого обмена, но до сих пор эта дихотомия была невозможна с другими биомолекулами.

"До сих пор все молекулярные машины, синтезированные с помощью ДНК-нанотехнологий, приводились в действие путем обмена нитями ДНК, но обмен только ДНК несколько ограничивает возможности. Наши результаты расширяют функциональную сложность, доступную для ДНК-нанотехнологий", - говорит профессор Ли.

Он считает, что в природе существует множество знаний, которыми могут воспользоваться исследователи нанотехнологий. "Быстрый обмен и сохранение высокой стабильности кажутся двумя несовместимыми состояниями, однако в природе так много наноразмерных машин, которые ведут себя подобным образом".

Область ДНК-нанотехнологий все еще находится в зачаточном состоянии. Хотя исследователям предстоит решить еще много конструкторских задач, чтобы реализовать весь потенциал молекулярных машин, возможность создания машин, которые могут действовать автономно и адаптироваться к изменениям в окружающей среде путем замены различных биомолекул, - это большой шаг к целому ряду применений, от создания чувствительных "умных" материалов до адресной доставки терапевтических препаратов в больные клетки и многого другого.