Французские ученые сконструировали нанороботов из ДНК, которые способны находить на поверхности клеток специфичные белки и приводить их в действие, запуская биохимические процессы внутри клеток. Такие устройства является удобным зондом для изучения важных биохимических сигналов. Результаты научной работы опубликованы в журнале Nature Communications.
Ученые Национального центра научных исследований Франции, Университета Монпелье и Национального института здравоохранения и медицинских исследований Франции сконструировали нанолебедку, используя метод ДНК-оригами. Устройство может оказывать механическое воздействие на белки, включенные в мембраны клеток. Принцип работы нанолебедки основан на призматическом соединении, когда два тела (поршень и цилиндр) скользят вдоль общей оси, не вращаясь. «Стержень» соединяется со специфическим рецептором на мембране, а затем отталкивается от мембраны с помощью молекулярных пружин, создавая на рецепторе механическое напряжение.
Такое устройство полезно для исследований работы молекулярных механосенсоров — специфических рецепторов, которые чувствительны к механическим воздействиям и посылают сигналы внутри клеток, регулируя ключевые биологические процессы. До сих пор функции механорецепторов изучались с помощью атомно-силовой микроскопии, а также магнитных и оптических пинцетов, однако эти методы трудоемки, ограничены низкой пропускной способностью и молекулярной специфичностью.
Нанолебедка состоит из трех фрагментов: центрального поршня-цилиндра и двух посадочных опор. Поршень сформирован шестью спиралями ЛНК длиной 60 нанометров, а между ним и цилиндром остается зазор два нанометра для свободного скольжения. На вершине поршня находится стопор обратного хода, который соединен с цилиндром шестью одноцепочечными нитями ДНК, действующими как пружины. Еще шесть цепочек соединяют нижнюю часть цилиндра с нижним кончиком поршня. Посадочные опоры удерживают устройство на поверхности мембраны.
Исследователи испытали устройство в автономном режиме работы на интегриновых рецепторах у клеткок рака молочной железы человека MCF-7. Когда интегрины связываются с сигнальной молекулой (лигандом), они вытягиваются на 19 нанометров, запуская различные биохимические реакции внутри клеток. В эксперименте нанолебедки, вооруженные распознающими рецепторы молекулами, обнаруживали неактивные интегрины, связывались с ними и оттягивали до активного состояния. При этом внутри клеток запускались реакции, которые ученые отслеживали визуально с помощью антител с флуоресцентными метками. Всего на одной раковой клетке было обнаружено более девяти тысяч нанороботов.
В контролируемом режиме работы нанолебедки ученые добавляли олигонуклеотиды — короткие цепочки нуклеотидов — которые соединялись с ДНК-пружинами, изменяя их жесткость. Это позволило регулировать высоту подъема поршня на 10, 20 и 33 нанометра. В целом, контролируемая сила воздействия нанороботов на поверхностные белки клеток достигала порядка одной триллионной ньютона. Такая точность позволяет ученым определять, какая именно сила воздействия на механорецепторы необходима для того, чтобы активировать ключевые сигнальные пути во многих биологических и патологических процессах.