Не без провода: специалисты научили клетки воспроизводить «чужие» ДНК
Как новая технология поможет получить нужный белок и создать биосенсор
Российские ученые разработали технологию, которая позволяет использовать клетку для производства любого нужного белка, даже если данных о нем нет в ее ДНК. Для этого используют тончайшие нанопровода, которые протыкают клеточную мембрану и в образовавшиеся отверстия проникает молекула с наследственной информацией. При этом нанопровода меняют спектр своего свечения в зависимости от процессов, происходящих в клетке, что ценно для создания чувствительных биосенсоров. По словам экспертов, открытие можно использовать для производства лекарств и различных датчиков, но для начала практического применения нужны дальнейшие исследования.
Как клетки производят нужные белки
Специалисты Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) и Академического университета разработали технологию доставки ДНК в клетку с помощью так называемых нанопроводов. Это тончайшие нитевидные нанокристаллы из полупроводниковых соединений, которые за счет своей уникальной геометрии способные проникать сквозь клеточную мембрану. Через образовавшееся отверстие плазмида — кольцевая молекула нуклеиновой кислоты — попадает в клетку, и та начинает вырабатывать закодированный в ней чуждый белок. Это процесс ученые называют трансфекацией. Методику можно применять для производства лекарственных средств.
Фотолюминесценция от полупроводниковых нанопроводов
— Изначальная идея состояла в создании системы трансфекции — доставки нуклеиновых кислот — в клетки. Для современных наук о жизни трансфекция — одна из важнейших задач, поскольку позволяет заставлять клетки синтезировать не только те белки, которые заложены в их ДНК, но и любые другие, произвольные. Таким образом, с одной стороны, можно изучать влияние включения или выключения определенных процессов на клетку или даже целый организм, а с другой — получать в большом количестве нужные белки, например моноклональные антитела, широко применяемые в терапии различных заболеваний, — сказал старший научный сотрудник Академического университета Станислав Шмаков.
Исследователи разработали систему, в которой массив нанопроводов формируется на поверхности многолуночного планшета, и ДНК можно добавлять прямо в лунки, без предварительных манипуляций.
Однако, экспериментально подтвердив возможность трансфекации, в ходе исследований ученые обнаружили еще один неожиданный эффект. Взаимодействуя с клеткой, нанопровода с течением времени изменяют спектр флуоресценции, что открывает возможность создания самых разных сенсоров. Как пояснили специалисты, нитевидные нанокристаллы — это в первую очередь оптически активные структуры. Они способны ярко светиться, поэтому у них удобно измерять оптический сигнал. Также с их помощью возможны измерения электрических параметров, таких как потенциал или сила тока.
— Есть несколько потенциальных применений этой системы в качестве биосенсора. Во-первых, мы обнаружили существенный сдвиг спектра люминесценции нанопроводов в присутствии живых клеток. То есть их можно применять в качестве детекторов стерильности. Даже небольшое присутствие живых клеток может изменить оптические свойства нанопроводов. Это может быть использовано в различных биотехнологических производствах. Во-вторых, изменение спектра связано с определенными биохимическими реакциями, связанными с метаболизмом клеток. Это значит, что такие системы могут быть использованы для измерения уровня обмена веществ клеток при различных условиях, — сказал главный научный сотрудник Научно-исследовательской лаборатории эпитаксиальных наноструктур соединений A3B5 на кремнии СПбПУ Иван Мухин.
Поскольку нанопровода — это полупроводниковые структуры, их можно легко подключить к измерительным приборам и исследовать изменения в электрическом потенциале клеток, что остается важной задачей для изучения нейронов, добавил специалист.
Биосенсоры из нанопроводов
Как пояснил «Известиям» старший научный сотрудник Института иммунологии и физиологии Уральского отделения РАН Михаил Болков, в предложенной методике наследственная информация передается в клетку с помощью плазмид. Это такие молекулы, которые бактерии используют для обмена ДНК между собой. И генетики применяют это их свойство в своих целях. Суть в том, что на специальной подложке выращивают нанотрубки, а сверху на них наносят клетки. В результате мембраны протыкаются, и туда помещают нужную нуклеиновую кислоту. Она проникает внутрь клетки, и та начинает вырабатывать закодированный в плазмиде белок. Таким образом можно получать средства для борьбы с генетическими болезнями, анемией и многими другими патологиями.
Фотолюминесценция от полупроводниковых нанопроводов
— Попадая внутрь клетки, тончайшие нанопровода перемещаются к ядру и разрушаются. В результате изменяется их спектр свечения, что можно использовать для разработки биологических сенсоров. Однако, чтобы определить, что конкретно можно с их помощью детектировать, нужны дальнейшие исследования, — сказал он.
По словам профессора кафедры органической и биомолекулярной химии УрФУ Григория Зырянова, нанопровода могут быть самой разной длины, начиная от трех молекул и более. Обычно их получают из органических или органо-неорганических полупроводников. Поведение каждой органической молекулы в составе такого провода может влиять на его поведение в целом. При этом давая, например, электрический отклик или приводя к изменению флуоресценции.
Фотография выращенных нанопроводов на Si-подложке
— Это происходит при разрушении или изменении длины нанопровода вследствие биохимических реакций или простых механических воздействий. Это очень перспективно для целей биосенсорики, локальных термодатчиков, измерения уровня кислотности и т.д. Соответственно, соединенный с клеткой такой молекулярный нанопровод будет давать интенсивный отклик, реагируя на события, происходящие внутри, в том числе биохимические процессы, — отметил он.
Из-за наноразмерной геометрии провода могут легко попадать внутрь клетки, поглощаясь ей. Причем клетка может даже не разрушаться. Такой принцип используют, например, в терапии рака, когда наноразмерные частицы адресно вводятся в больную клетку, а после внешнего адресного воздействия, например действием электромагнитного поля, вызывают ее гибель, добавил эксперт.
Исследования выполнены при частичной поддержке Российского научного фонда.
