Микроскопическая четырехпалая «рука», сложенная из одного фрагмента ДНК, способна распознавать вирус, вызывающий COVID-19, и даже блокировать проникновение вирусных частиц в клетки, сообщают исследователи из Университета Иллинойса Урбана-Шампейн. Рука получила название NanoGripper.
Наноробот, сложенный из нити ДНК, может захватить отдельный вирус
Микроскопическая четырехпалая «рука», сложенная из одного фрагмента ДНК, способна распознавать вирус, вызывающий COVID-19, и даже блокировать проникновение вирусных частиц в клетки, сообщают исследователи из Университета Иллинойса Урбана-Шампейн. Рука получила название NanoGripper. Ее можно запрограммировать на взаимодействие и с другими вирусами и на распознавание маркеров клеточной поверхности для адресной доставки лекарств, например, для лечения рака.
Три робота NanoGripper обхватывают вирус COVID-19. Xing Wang, University of Illinois
ДНК — исключительно удобный материал. Она прочная и тонкая. Из нее можно сделать плотнейший носитель информации, из нее можно вязать, как из пряжи, или складывать оригами. Вот из такого ДНК-оригами сложили охотников за вирусами.
Команда ученых, которую возглавил Ксин Ванг, описала свою разработку в журнале Science Robotics.
В качестве прототипа для своего биоробота ученые использовали руки человека и птичьи когти. У NanoGripper четыре сгибающихся пальца и ладонь, объединенные в одну наноструктуру. Она сложена из одного фрагмента ДНК. Каждый палец имеет три сустава, как у человека, а угол и степень сгибания определяются дизайном на твердой ДНК-структуре.
Ванг говорит: «Мы взяли ДНК из-за ее структурных свойств. Она прочная, гибкая и программируемая. Но даже в области ДНК-оригами этот проект является новым с точки зрения принципа конструирования. Мы складываем одну длинную нить ДНК туда и обратно, чтобы сделать все элементы, как статичные, так и подвижные, за один шаг из непрерывной нити».
Пальцы содержат участки, называемые ДНК-аптамерами, которые специально запрограммированы на связывание с молекулярными мишенями — шиповым белком вируса, вызывающего COVID-19, для данного первого применения — и заставляют пальцы сгибаться, чтобы охватить мишень. На стороне, где должно быть запястье, NanoGripper может прикрепляться к поверхности или другому более крупному комплексу для биомедицинских применений, таких как зондирование или доставка лекарств.
Как поймать вирус за шиповый белок
Схема разработки, функционализации и использования ДНК-нанозахвата (NG) для обнаружения и ингибирования вирусов. (A) Конфигурация и размеры DNA NG, содержащего центральную ладонь и четыре сгибаемых пальца, где F, Z и R обозначают палец, ось вращения и шарнир, соответственно. (B) Функционализация DNA NG для взаимодействия с различными 3D-объектами нанометрового масштаба. (C) Обнаружение и ингибирование вирусов с помощью ДНК NG.
Чтобы создать датчик для обнаружения вируса COVID-19 ученые соединили NanoGripper с платформой датчика на фотонных кристаллах, чтобы создать быстрый, 30-минутный тест на COVID-19, соответствующий по чувствительности молекулярным тестам qPCR. Когда много нанороботов охватят вирус, их можно подсветить лазером и таким образом увидеть вирус.
По словам Ванга, помимо диагностики, NanoGripper может найти применение в профилактической медицине, блокируя вирусы от проникновения и заражения клеток. Исследователи обнаружили, что при добавлении NanoGrippers в клеточные культуры, которые затем подвергались воздействию COVID-19, руки обхватывали вирусы и блокировали взаимодействие белков вирусного шипа с рецепторами на поверхности клеток, предотвращая заражение.
«Применять его после заражения человека будет очень сложно, но мы могли бы использовать его в качестве профилактического средства», — говорит Ванг. — «Мы могли бы создать антивирусный спрей для носа. Нос — это "горячая точка" для респираторных вирусов, таких как COVID или грипп. Назальный спрей с NanoGripper может предотвратить взаимодействие вдыхаемых вирусов с клетками в носу».
По словам Ванга, NanoGripper можно легко сконструировать для борьбы с другими вирусами, такими как грипп, ВИЧ или гепатит B. Кроме того, Ванг предполагает использовать NaoGripper для адресной доставки лекарств. Например, пальцы можно запрограммировать на выявление определенных маркеров рака, и захваты смогут доставлять противораковые препараты непосредственно в клетки-мишени.
«Этот подход имеет больший потенциал, чем те несколько примеров, которые мы продемонстрировали в этой работе», — говорит Ванг. — «Нам придется внести некоторые коррективы в 3D-структуру, увеличить стабильность и точность нацеливания аптамеров, но мы разработали несколько методов, позволяющих сделать это в лаборатории».