Коллектив ученых из Израиля и США поставил уникальный эксперимент — запустил нанороботов в живых тараканов и показал эффективную работу созданных ими конструкций. На деле они создали логические схемы, реализующие разные исходы в зависимости от молекулярного окружения. Результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology [1].

Нанороботы — это специальным образом сконструированные объекты нанометрового масштаба, состоящие из различных молекул или даже отдельных атомов и выполняющие заранее заданные программируемые операции. В большинстве своем они представляют собой простейшие молекулярные машины, способные выполнять небольшой набор элементарных действий, — например, движение в заданном направлении, перенос груза и сенсорные функции. Огромный толчок в развитии данного научного направления дало возникновение ДНК-оригами, о котором мы уже писали довольно подробно в статье «ДНК-оригами: путь от гравюры до нанороботов длиной в 30 лет» [2]. Использование ДНК-оригами предоставило ученым надежный инструмент для построения молекулярных конструкций практически любой сложности.

В своей работе ученые сконструировали три типа нанороботов: эффекторный робот E, который нес в себе в качестве груза антитело, специфически связывающееся с клетками крови тараканов , и два робота-регулятора — позитивный P и негативный N (рис. 1). При помощи этих элементов, специфически взаимодействующих между собой и с веществами в окружающей среде, ученым удалось собрать набор логических вентилей (гейтов) (рис. 2). Логические вентили представляют собой базовые элементы цифровой схемы и применяются для выполнения элементарных логических операций. Они давно используются человеком в информационных технологиях, и лежат в основе архитектуры компьютеров.

Мы, конечно же, знаем, что у членистоногих, к которым относитятся и тараканы, не кровь, а гемолимфа, но в этой статье для удобства будем использовать всем привычное слово «кровь». — Ред.

Слаженная работа эффекторного робота E и двух его регуляторов P и N имитировала работу простейших вычислительных машин, представляя собой довольно продвинутый вариант молекулярного компьютера или ДНК-компьютера. Взаимодействие между ДНК-роботами осуществлялось по принципу специфического связывания «ключ—замок», посредством которого они образовывали сложные комплексы.

В ходе эксперимента в кровь живого таракана добавляли раствор с нанороботами E, P и N. Оказавшись внутри организма, эффекторный робот E специфически взаимодействовал с молекулами X и Y (назовем их так, ведь в качестве X и Y могли выступать практически любые соединения) и претерпевал конформационный переход или, проще говоря, раскрывался. Раскрывшись, робот выпускал свой молекулярный груз — антитело, которое тут же распознавало гемоциты таракана и связывалось с ними. При этом для раскрывания робота и выпуска груза было необходимо присутствие в крови обоих соединений — и X, и Y.

Однако при наличии лишь одного соединения комплекс также мог раскрыться. Для этого ему требовалась помощь позитивного регулятора P. Этот робот нагружался ДНК-ключом, и, в зависимости от конструкции, высвобождал его при взаимодействии или с X, или с Y. ДНК-ключ открывал робота E и запускал процесс образования комплекса E—гемоцит. Наконец, негативный регулятор N при взаимодействии с обоими соединениями не позволял раскрыться эффекторному роботу E и выступал в качестве ингибитора образования комплекса с клеткой крови.

Все эти процессы могут быть проиллюстрированы при помощи логических схем и представлены в виде элементарных логических операций типа «И» (нужны и X, и Y), «ИЛИ» (нужен либо X, либо Y, либо оба соединения), «исключающее ИЛИ» (нужен либо X, либо Y, но не оба соединения). В качестве выходных параметров ЛОЖЬ (или 0) и ИСТИНА (или 1) здесь выступает наличие комплекса E—гемоцит. Эти и другие логические схемы представлены на рис. 2.

Так, работа трех нанороботов приводила к реализации двух исходов — выпускать молекулярный груз или не выпускать. Для решения более сложных задач авторы использовали дополнительных эффекторных роботов F (похожих на E, но не интерферирующих с ним) и E_o (в отличие от E, он изначально открыт). Такое решение позволило строить гораздо более сложные логические схемы. Исследователи утверждают, что при добавлении дополнительных эффекторных роботов и специальных регуляторов, ничто не мешает данной технологии превысить мощность старых 8-битных компьютеров Commodore 64 и Atari 800, на которых они играли в детстве. Сложность состоит лишь в том, чтобы собрать как можно больше правильно взаимодействующих друг с другом логических вентилей.

В качестве молекулярного груза эффекторного робота может выступать практически любая молекула. Это может быть активатор или ингибитор тех или иных молекулярных реакций, либо антитело, которое свяжет вирус или другое вредное соединение. В описанном эксперименте осуществлялось связывание робота с клетками крови таракана, которые потом исследовались при помощи проточной цитометрии. При исследовании крови подопытных, часть кровяных клеток флуоресцировала в необходимом диапазоне длин волн, что говорит о связывании антитела с гемоцитом и, следовательно, успешной активации эффекторных нанороботов (рис. 3а).

Для первого этапа исследований выбор пал на тараканов Blaberus discoidalis, и сделано это было неслучайно. Во-первых, они обладают малым объемом крови, и, как следствие, требуется меньшее количество нанороботов для того, чтобы показать состоятельность методики. Во-вторых, в крови тараканов невысока концентрация разрушающих чужеродную ДНК нуклеаз, что обеспечивает длительную стабильную работу ДНК-конструкций. Пока все эксперименты проводились только на тараканах, но ученые полагают, что с добавлением некоторых модификаций в конструкции нанороботов тот же принцип работы будет реализован и в других организмах. Так, например, препятствие, которое представляет собой работа нуклеаз, можно преодолеть, используя в качестве строительного материала вместо ДНК закрытые нуклеиновые кислоты (LNA).

Полученные результаты могут найти свое применение в информационных технологиях, биотехнологии и медицине. Описанная выше методика имитирует поведение арифметико-логического устройства (АЛУ) компьютера, что может быть использовано в разработке молекулярных компьютеров будущего. При помощи предложенных авторами базовых элементов можно построить довольно сложные логические схемы, реализующие замысловатые алгоритмы (рис. 3б). Так как роль груза в эффекторном роботе может играть практически любая молекула, то такие системы можно использовать в качестве сенсоров, аналогично существующим сейчас микрочипам. Они позволят идентифицировать даже самые незначительные изменения в молекулярном окружении (регистрация единичных молекул). Изменится лишь способ считывания информации — каждому набору целевых молекул будет соответствовать свой двоичный код.

Также интересная перспектива использования описанных нанороботов — это создание «умных» лекарств. Запущенная в кровеносное русло команда нанороботов, в зависимости от программы и присутствующих в крови веществ (молекул, вирусов, бактерий и т.д.), сама поставит диагноз и выпустит необходимые лекарственные препараты. Для здорового человека такое лекарство будет совершенно безвредным, ведь, не обнаружив патогенов, нанороботы оставят молекулярный груз при себе. Возможен сценарий адресной доставки лекарств к определенному органу и последующее выведение лишних ДНК-роботов из организма. К несомненным плюсам таких лекарств относится возможность раннего обнаружения, например, единичных вирусов, и незамедлительное их уничтожение, а также низкая токсичность такой терапии.

Литература

1. Yaniv Amir, Eldad Ben-Ishay, Daniel Levner, Shmulik Ittah, Almogit Abu-Horowitz, Ido Bachelet. (2014). Universal computing by DNA origami robots in a living animal. Nature Nanotech. 9, 353-357;
2. ДНК-оригами: путь от гравюры до нанороботов длиной в 30 лет.