Исследователи из Института общей физики РАН и Института биоорганической химии РАН «научили» наночастицы выполнять простейшие логические операции с помощью биохимических реакций. Исследование проводилось исключительно российскими специалистами, его результаты опубликованы в престижном научном издании Nature Nanotechnology.
Технология основана на идее двоичного вычисления, используя биомолекулы. В электронных схемах, например, логические связки использования тока или напряжения построены по этой системе (если есть напряжение, то результат будет 1, если нет, то 0). В биохимических системах результатом может стать синтез определённого вещества.
Многие ученые считают, что логические операции внутри клеток или в искусственных биомолекулярных системах могут управлять биологическими процессами и это позволит создать полноценных микро-и нано-роботов, которые могут, например, доставлять лекарства целенаправленно в те ткани, где они необходимы. Ученые со всего мира проводили исследования бинарных операции в ДНК, РНК и белков на протяжении более десяти лет. Российские учёные первыми предложили и экспериментально подтвердили способ превращения практически любого типа наночастиц или микрочастиц диаметром 3000-100 нанометров в автономные структуры, которые способны реализовать функционально полный набор логических элементов (ДА, НЕТ, И и ИЛИ) и связываться с определёнными клетками. Этот метод позволяет селективно связываться с клетками-мишенями, а также он представляет собой новую платформу для анализа крови и других биологических материалов.
Приставка «нано» в данном случае является не прихотью или простой формальностью. Уменьшение размера частиц иногда приводит к резким изменениям в физических и химических свойствах вещества. Чем меньше размер, тем больше реактивность. В экспериментах использовались частицы, покрытые слоем наносфер. Наносферы удерживались на поверхности частиц с помощью специальных молекулярных «замков», которые отпирались при соприкосновении с определенными молекулами. Такие «замки» настроены на взаимодействии с двумя разными веществами: если частица соприкасается с обоими, то «замки» открываются и сферы с ее поверхности освобождаются. В результате частица избавляется от оболочки и может взаимодействовать со своей мишенью. На два сигнала (биомаркера) нано- или микрочастица реагирует определенным образом: сбрасывает оболочку из наносфер и освобождает свою поверхность.
«Наша наночастица – это своего рода наноробот, который сам может принять решение, надо ли ему взаимодействовать с клеткой или пройти мимо, – пишет один из авторов работы к.м.н. Максим Никитин. – У него своя логика, которая напоминает логику обычного компьютера с функциями «и», «или», «да», «нет». К примеру, наночастицы можно запрограммировать так, чтобы они начинали атаку на опухоль только когда на входе одновременно фиксируется два тревожных сигнала. Если такого дуэта нет, наночастица не «выстрелит». В зависимости от того, что надо лечить, для наноробота можно создать разные варианты логики».
Область применения подобной технологии очень широка, например, «умные» наночастицы могли бы путешествовать по организму и освобождать лекарственные препараты, соприкасаясь только с вирусами, опухолевыми клетками или токсинами. Такое адресное воздействие потенциально позволяет с минимумом побочных эффектов лечить болезни на самых ранних стадиях и без вреда для организма.
Учеными уже проведены испытания наноробота на клеточных культурах, в перспективе эксперименты будут проводиться на животных.
ПОДРОБНЕЕ В НАУЧНОЙ СТАТЬЕ:
Nikitin, Maxim P.; Shipunova, Victoria O.; Deyev, Sergey M.; Nikitin, Petr I. Biocomputing based on particle disassembly // Nature Publishing Group vol. advance online publication
Ведущий специалист отдела организации клинических исследований, терапевт, врач ультразвуковой диагностики АО «СЗЦДМ» (г. Санкт-Петербург), главный редактор, учредитель сетевого издания Medical Insider, а также автор статей
E-mail для связи – [email protected];
