Наноробот, сделанный из ДНК, захватывает вирусы и блокирует проникновение в клетки

Крошечная четырехпалая «рука», сложенная из одного фрагмента ДНК, способна распознавать вирус, вызывающий COVID-19, и даже блокировать проникновение вирусных частиц в клетки, сообщают исследователи из Иллинойсского университета. Названная NanoGripper, нанороботизированная рука также может быть запрограммирована на взаимодействие с другими вирусами или на распознавание маркеров клеточной поверхности для целенаправленной доставки лекарств, например, для лечения рака.

Под руководством Син Вана, профессора биоинженерии и химии в Университете Иллинойса, исследователи описывают свои достижения в журнале Science Robotics.

Вдохновленные силой захвата человеческой руки и птичьих когтей, исследователи спроектировали NanoGripper с четырьмя сгибаемыми «пальцами и ладонью», все в одной наноструктуре, сложенной из одного фрагмента ДНК. Каждый палец имеет три сустава, как и человеческий палец, а угол и степень изгиба определяются конструкцией на матрице ДНК.

«Мы хотели создать мягкий наноробот с функциями захвата, которые никогда не были сделаны ранее, для взаимодействия с клетками, вирусами и молекулами для биомедицинских приложений», — сказал Син Ван. «Мы используем ДНК из-за ее структурных свойств. Она прочная, гибкая и программируемая. Но даже в области ДНК-оригами это является новинкой с точки зрения принципа конструкции. Мы складываем одну длинную нить ДНК вперед и назад, чтобы сделать все элементы, как статические, так и движущиеся части, за один шаг».

Пальцы содержат области, называемые ДНК-аптамерами, которые специально запрограммированы на связывание с молекулярными мишенями — спайковым белком вируса, вызывающего COVID-19, для этого первого применения — и заставляют пальцы сгибаться, чтобы обернуться вокруг цели.

С противоположной стороны, где будет запястье, NanoGripper может прикрепляться к поверхности или другому более крупному комплексу для биомедицинских приложений, таких как зонды или доставка лекарств.

Чтобы создать датчик для обнаружения вируса, команда ученых объединилась с группой во главе с профессором электротехники и компьютерной инженерии из Иллинойса Брайаном Каннингемом, который специализируется на биосенсорике. Они соединили NanoGripper с платформой фотонно-кристаллического датчика, чтобы создать быстрый 30-минутный тест на COVID-19, соответствующий чувствительности золотого стандарта молекулярных тестов qPCR, используемых в больницах, которые точнее домашних тестов, но занимают гораздо больше времени.

«Наш тест очень быстрый и простой, поскольку мы обнаруживаем неповрежденный вирус напрямую», — сказал Брайан Каннингем. «Когда вирус удерживается в руке NanoGripper, флуоресцентная молекула активируется, чтобы испустить свет при освещении светодиодом или лазером. Когда большое количество флуоресцентных молекул концентрируется на одном вирусе, он становится достаточно ярким в нашей системе обнаружения, чтобы увидеть каждый вирус по отдельности».

Помимо диагностики, NanoGripper может применяться в профилактической медицине, блокируя проникновение вирусов и заражение клеток.

Исследователи обнаружили, что при добавлении NanoGripper к клеточным культурам, которые затем подвергались воздействию COVID-19, несколько захватов оборачивались вокруг внешней части вирусов.

Это блокировало взаимодействие вирусных шиповидных белков с рецепторами на поверхности клеток, предотвращая заражение.

По словам ученых, NanoGripper можно легко спроектировать для борьбы с другими вирусами, такими как грипп, ВИЧ или гепатит В.

Кроме того, исследователи предполагают использовать NaoGripper для целевой доставки лекарств.

Например, пальцы можно запрограммировать на определение конкретных маркеров рака, а захваты могут доставлять противораковые препараты непосредственно к целевым клеткам.

«Этот подход имеет больший потенциал, чем несколько примеров, которые мы продемонстрировали в этой работе», — говорит Син Ван. «Есть некоторые корректировки, которые нам придется сделать с 3D-структурой, стабильностью и целевыми аптамерами или нанотелами, но мы разработали несколько методов, чтобы сделать все это в лаборатории. Конечно, это потребует множества испытаний, но потенциальные приложения для лечения рака и чувствительность, достигнутая для диагностических приложений, демонстрируют мощь мягкой наноробототехники».

Исследование было опубликовано в Science Robotics.