Technologia

Podręcznik wakacyjny: Konstrukcje z DNA

Konstrukcje z DNA

Numer 9/2018
yongheng19962008 / Shutterstock
Inteligentne leki, mikroskopijne roboty, nanofabryki, elektronika nowej generacji, a nawet molekularna sztuka – nad takimi wynalazkami pracują specjaliści zajmujący się inżynierią opartą na DNA. Cząsteczka, która w przyrodzie niesie informację o życiu, może otworzyć drogę do nanotechnologii.

Znaleźć nowotworowe guzy i je zniszczyć – takimi celami kierowały się nanoroboty wstrzyknięte przez zespół z Arizona State University do krwiobiegu myszy i świnek Bama z różnymi rodzajami raka. Mikroskopijne maszyny wyszukiwały skupiska chorych komórek i odcinały im dopływ krwi. „Opracowaliśmy pierwszy w pełni autonomiczny, oparty na DNA robotyczny system do precyzyjnego projektowania leków i celowanej terapii przeciwnowotworowej” – mówi jeden z autorów eksperymentu, prof. Hao Yan. Nanoboty, które wyszukują guzy, a omijają zdrowe tkanki, składają się z kilku elementów. Podstawa ich konstrukcji to arkusz z DNA o wymiarach 90 × 60 nm (miliardowe części metra), zwinięty następnie w rurkę. Do jego wewnętrznej powierzchni dołączone są cząsteczki trombiny wywołującej krzepnięcie krwi, a do zewnętrznej – niewielkie odcinki DNA, które wyszukują cel. Chętnie łączą się one z białkiem zwanym nukleoliną, które w dużych ilościach występuje na powierzchni komórek wyściełających naczynia krwionośne guzów, ale którego brakuje w naczyniach zdrowych tkanek. Kiedy fragmenty DNA obecne na powierzchni robota połączą się z docelowym białkiem, nanomaszyna jak koń trojański uwalnia swój ładunek. Powstaje wtedy skrzep i pozbawiony krwi guz umiera. Przeprowadzone eksperymenty wykazały to w praktyce. Po pierwsze, mikroskopijne maszyny zupełnie pomijały zdrowe tkanki. „Nanoroboty zdecydowanie są bezpieczne dla normalnych tkanek myszy i dużych zwierząt” – mówi jeden z badaczy, prof. Guangjun Nie. Jednocześnie już w ciągu kilku godzin otaczały guzy i w ciągu doby powodowały w nich uszkodzenia. Po trzech dniach we wszystkich guzach pojawiały się zakrzepy i wkrótce dochodziło do zmniejszania nowotworowych narośli. W przypadku czerniaka u 3 na 8 myszy terapia spowodowała całkowity zanik guzów i dwukrotne wydłużenie życia zwierząt. Co więcej, roboty nie tylko atakowały pierwotne ogniska tego nowotworu, ale także te powstałe w wyniku przerzutów. Twórcy metody twierdzą, że odpowiednio projektując nanoboty i przenoszony przez nie ładunek, w podobny sposób można podejść do leczenia różnorodnych schorzeń.

Te inteligentne leki, które pomogły myszom i świnkom, powstały dzięki technice zwanej origami DNA. Nazwa ta wzięła się stąd, że podobnie jak z kartki papieru można wyczarować przeróżne przedmioty, tak z cząsteczki, która w przyrodzie niesie informację o budowie każdej żywej komórki, można budować skomplikowane nanostruktury o przeróżnych zastosowaniach.

Pojazdy i roboty

O technice origami DNA mówi się od 2006 r., kiedy to Paul Rothemund, obecnie profesor California Institute of Technology, chcąc pokazać możliwość projektowania z DNA różnorodnych struktur, stworzył kolekcję obrazków w nanoskali. Wśród nich były np. uśmiechnięta buźka (tzw. smiley), płatki śniegu czy mapy. Jego prace zostały wystawione w nowojorskim Museum of Modern Art. Rothemund, a teraz także jego następcy, wykorzystał wyjątkową budowę DNA (kwasu deoksyrybonukleinowego). Otóż jego cząsteczki mają postać długich łańcuchów złożonych z mniejszych podstawowych jednostek zwanych nukleotydami. Każdy z nukleotydów zawiera element zwany zasadą azotową, którą może być adenina (A), tymina (T), cytozyna (C) i guanina (G). Za pośrednictwem tych zasad jedna nić DNA łączy się z drugą, w naturalnych warunkach tworząc słynną podwójną helisę. Co jednak ważne, A łączy się z T, a C łączy się z G. Naukowcy uczą się jednak tak projektować odcinki DNA, aby zamiast naturalnej podwójnej spirali układały się one w wybrane przez nich kształty ze ściśle zaplanowanymi właściwościami.

W ten sposób np. badacze z Rheinische Friedrich--Wilhelms-Universität Bonn zbudowali jeżdżącego robota. Nanobot mierzy zaledwie 30 nm i ma jedno koło w postaci pierścienia z DNA. Funkcję silnika pełni drugi pierścień, także z DNA, połączony z pierwszym jak dwa ogniwa łańcucha. Zasilanie pochodzi natomiast z enzymu – polimerazy RNA. Na podstawie sekwencji DNA enzym ten produkuje nić podobnego do DNA związku – RNA – i jednocześnie wytwarza energię napędzającą koło urządzenia. W czasie jazdy nić RNA się wydłuża i można ją porównać do spalin, które powstają w silniku benzynowym. Jednak badacze także i ją wykorzystali – na zbudowanym z nanorurek torze pozwala ona utrzymać właściwy kierunek ruchu urządzenia. W opisanym niedawno eksperymencie nanobot przemierzył 240 nm. „To była pierwsza próba. Tor może zostać wydłużony według życzenia” – zapewnia jeden z konstruktorów nanomaszyny, prof. Michael Famulok. Razem ze swoimi kolegami badacz planuje teraz zwiększenie dystansu oraz dodanie do niego przeszkód, takich jak skrzyżowania, na których robot będzie musiał wybrać dalszą trasę. Na razie pojazd nie jest jednak zbyt szybki. Pomiary pokazały, że jeden obrót jego koła zajmował aż 10 min. Ale badacze twierdzą, że najważniejszym zadaniem było nadanie urządzeniu określonego kierunku jazdy.

Inny stworzony z DNA robot, opracowany w California Institute of Technology, potrafi nieco więcej. Budową i działaniem przypomina trochę człowieka, który sprząta pokój, tylko zamiast zbierać np. leżące w bezładzie ubrania, wyszukuje i przenosi cząsteczki chemiczne. Skonstruowany jest z umożliwiającej mu chodzenie nogi z dwiema stopami, ramienia z ręką do chwytania cząsteczek oraz elementu rozpoznającego miejsce docelowe. Molekularny człowieczek porusza się po kwadratowej tablicy o wymiarach 58 × 58 nm. W ściśle określonych miejscach na jej powierzchni znajdują się odcinki DNA, z którymi chętnie łączą się stopy robota. Stopy te są tak zaprojektowane, że kiedy jedna przylega do podłoża, druga się od niego samoczynnie odrywa. W ten sposób robot chodzi. Właściwie to trzeba powiedzieć, że się po planszy włóczy, ponieważ kolejne kroki są dziełem przypadkowych ruchów tworzących maszynę molekuł. Kiedy jednak na swojej drodze napotka cząsteczkę, którą ma zabrać, chwyta ją, a kiedy później natrafi na miejsce, gdzie ma ją odnieść, uwalnia swój ładunek. W eksperymentach przenosił fluorescencyjne cząsteczki, które naukowcy mogli łatwo wykryć. Ten nanobot też nie mógł pochwalić się zawrotną prędkością, bo na przeniesienie 6 molekuł potrzebował aż doby. Ponownie nie o czas jednak chodziło, tylko o pokazanie ogólnej zasady. Zdaniem twórców wynalazku tego rodzaju bardziej złożone urządzenia w przyszłości będą np. wytwarzały leki w nanofabrykach czy wydobywały użyteczne cząsteczki z odpadów.

Prędkość? Proszę bardzo!

Oczywiście urządzenia takie musiałyby działać zdecydowanie szybciej niż robot przenoszący 6 molekuł na dobę. Zespół z Technische Universität München pokazał już, jak przyspieszyć ich pracę, i to o wiele rzędów wielkości. Autorzy pomysłu wykorzystali naturalny, obecny na DNA ujemny ładunek, który sprawia, że cząsteczka ta reaguje na pole elektryczne. W swoim eksperymencie skonstruowali zbudowane z DNA sztywne ramiona o długości 400 nm, które przymocowali do podłoża krótkim, również złożonym z DNA, ale giętkim łączem. Konstrukcja taka pozwalała ramionom swobodnie obracać się w płaszczyźnie poziomej. Na ich końcach dodatkowo naukowcy umieścili fluorescencyjne cząsteczki, dzięki którym mogli obserwować ruch mikroskopijnych mechanizmów. Aby go uzyskać, wystarczyło umieścić je w zmieniającym się szybko polu elektrycznym. „Eksperyment pokazał, że maszyny molekularne mogą być wprawiane w ruch, a więc napędzane, elektrycznie. Dzięki elektronicznej kontroli inicjujemy ruchy w czasie milisekund, czyli 100 tys. razy szybciej, niż pozwalały na to wcześniejsze biochemiczne podejścia” – relacjonuje kierujący eksperymentem prof. Friedrich Simmel.

Nadchodzi nanomechanika

Coraz więcej wskazuje jednocześnie na to, że nie zabraknie mikroskopijnych maszyn do zasilania. Wzorując się na sposobie powstawania wirusów, zespół z Monachium opracował np. metodę wytwarzania zbudowanych z DNA zębatek. Otóż otoczki wirusów składają się z wielu takich samych, spontanicznie łączących się z sobą białkowych cegiełek. Tymczasem badacze zaprojektowali złożone z nici DNA elementy w kształcie litery V, które podobnie jak podjednostki wirusowego płaszcza spontanicznie łączą się z sobą bokami. W efekcie powstają koła zębate. W czasie ich konstruowania można dodatkowo ustalić rozwarcie podstawowego elementu, co pozwala na kontrolę finalnego kształtu. To jednak nie wszystko. Pojedyncze zębatki mają także tę właściwość, że łączą się z sobą i w ten sposób tworzą długie zębate rurki. „Przy długości jednego mikrometra i średnicy kilkuset nanometrów rurki te osiągnęły wielkość niektórych bakterii – opowiada kierujący pracami prof. Hendrik Dietz. – Możemy użyć architektury pojedynczych elementów do określenia właściwości całej struktury” – dodaje.

Czy więc niedługo będą powstawały zbudowane z DNA przekładnie i jeszcze bardziej skomplikowane mechaniczne podzespoły?

W służbie nauki

Niektóre nanourządzenia mogą tymczasem przydać się w badaniach naukowych. Na przykład w pojedynczej komórce działają tysiące różnych genów i białek. Poznanie ich funkcjonowania to jeden z filarów zrozumienia tego, co się w komórkach dzieje, i droga do opracowania m.in. skuteczniejszych, bezpieczniejszych terapii czy lepszych wytworów biotechnologii. Jedno z podstawowych zagadnień związanych z takimi cząsteczkami jak białka dotyczy tego, jak reagują one na niewielkie przykładane do nich siły. Do pomiarów w tym zakresie stosuje się m.in. optyczne pęsety. W ten sposób można sprawdzić, czy dane białko będzie pracować, jeśli ulegnie zdeformowaniu wskutek działania niewielkich sił, mogących się pojawić wewnątrz komórki. Tymczasem naukowcy z Ludwig- -Maximilians-Universität w Monachium wymyślili, jak twierdzą, lepszą niż dotychczasowe metodę analizy opartą na mikroskopijnym mierniku zbudowanym z DNA. Podobnie jak przy użyciu dotychczasowych urządzeń można za jego pomocą wywierać stałą siłę na pojedynczą cząsteczkę i określić jej reakcję. Miernik z DNA jest jednak znacznie łatwiejszy w użyciu i daje precyzyjniejsze wyniki. Do tego, jak tłumaczą jego twórcy, działa w zasadzie automatycznie i pozwala na badanie praktycznie dowolnej liczby cząsteczek w tym samym czasie.

Deoksyrybokomputer

Nie byłoby dzisiejszej nauki ani techniki bez komputerów czy elektroniki. A czy możliwe są elektroniczne układy, a nawet procesory zbudowane z DNA? Tak twierdzą niektórzy specjaliści. Układy tego typu, oprócz tego, że miałyby mikroskopijne rozmiary, podobnie jak inne wytwory origami DNA powstawałyby w dużej mierze na zasadzie spontanicznej samoorganizacji. Amerykańscy naukowcy stworzyli niedawno zbudowany z DNA układ zdolny do rozdzielania i łączenia prądu elektrycznego. To jedno z podstawowych działań zachodzących w konwencjonalnych układach elektrycznych. „DNA jest zdolne do przenoszenia ładunków, ale żeby było użyteczne w nanoelektronice, musi przewodzić prąd wzdłuż większej liczby ścieżek niż jedna poprzez rozdzielanie go i łączenie” – wyjaśnia współautor dokonania prof. Peng Zhang z Duke University. Problem stanowiły m.in. złącza między rozgałęzieniami, na których następowały duże straty prądu. Badaczom udało się go rozwiązać dzięki zastosowaniu czteroniciowego DNA. „To pierwszy krok potrzebny do tego, aby transportować ładunki przez rozgałęzione struktury tylko za pośrednictwem DNA – mówi prof. Zhang. – Możliwe, że dalsze kroki poskutkują stworzeniem opartej na DNA nanoelektroniki, która będzie obejmowała przypominające tranzystory elementy, powstające z samoskładających się, zaprogramowanych wcześniej materiałów” – dodaje naukowiec.

Takie układy nie muszą być konstruowane z samego DNA. Badacze z Brigham Young University prowadzą np. prace nad łączeniem DNA z metalami i półprzewodnikami. W ten sposób ich zdaniem mogłyby powstać układy scalone znacznie mniejsze i tańsze niż produkowane dzisiaj.

Bardzo mała sztuka

Istnieje też szansa na to, że kiedy już zaczniemy wytwarzać złożone nanourządzenia czy zbudujemy nanofabryki, będą one nosiły logo producenta albo inne widoczne tylko pod potężnymi mikroskopami, lecz całkiem złożone dekoracje. Wzorując się na pracach prof. Rothemunda, zespół z Caltechu opracował technikę wytwarzania skomplikowanych nanoobrazków. Badacze stworzyli program komputerowy, który dzieli podany mu obraz na 64 kwadratowe sekcje, a następnie określa, jakie sekwencje DNA są potrzebne, aby uzyskać odpowiedniej wielkości kwadraty układające się we właściwy wzór. Segmenty te są później łączone etapami – najpierw z 64 elementów powstaje 16, z nich 4 elementy, a z tej czwórki końcowy obraz. Finalny produkt jest właśnie 64 razy większy niż dzieła prof. Rothemunda. W ten sposób powstał już m.in. najmniejszy na świecie obraz Mony Lisy. Czy zatem DNA, które jest podstawą życia, stanie się także podstawą technologii przyszłości?

Marek Matacz
niezależny dziennikarz popularnonaukowy, z wykształcenia biotechnolog

01.09.2018 Numer 9/2018

Czytaj także

Reklama
Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną