Оригами на службе человечества

Не говорите мне о Сколкове. Сколково – оно еще вона где, а реальная нанотехнология – она уже вот, в статье, опубликованной в американском журнале «Science». Называется эта статья «Наноробот для направленного переноса молекулярного груза», а речь в ней идет о программе создания наноустройства, которое сможет находить и уничтожать раковые клетки в популяции клеток здоровых. Не больше и не меньше. Поэтому давайте расскажем об этом открытии, тем более что рассказ этот обещает быть интересным.

Начнем с оригами. Да, я помню, что обещал поведать о нанороботе, но именно поэтому начать нужно с оригами. Оригами – это японское слово, и означает оно чисто японское, ставшее сейчас вездесущим, искусство складывать трехмерные формы из плоских листков бумаги (применять клей традиция не разрешает). Это большое искусство, а также сложная математическая задача. Так вот, в 2006 году сотрудник Калифорнийского технологического института Поль Ротемунд показал, что трехмерные сооружения можно строить, более того – что они могут строиться сами собой, из молекул ДНК. Метод Ротемунда получил название «ДНК‑оригами». Сегодня он является одним из самых перспективных направлений в той части нанотехнологии, которая занимается созданием микроскопических структур из молекул ДНК.

Молекула ДНК оказалась особенно удобной для создания микроскопических структур в силу некоторых своих особенностей. Каждая такая молекула – это очень длинная цепь химических звеньев (нуклеотидов) четырех разных типов – А, Г, Ц и Т. В такой цепи могут быть миллионы звеньев. Большая длина позволяет строить из одной молекулы достаточно сложные структуры. Второй важной особенностью ДНК является химическое сродство ее нуклеотидов. Их химические свойства таковы, что нуклеотид Т энергично связывается с А, а Г – с Ц. Это создает возможность изгибать цепочку и удерживать ее в изогнутом состоянии. Для такой цели используется короткая цепочка из тех же нуклеотидов, называемая ДНК‑олигомером. Такой олигомер, состоящий из нескольких десятков или сотен звеньев, можно создать искусственно, в пробирке, задав ему любое нужное расположение нуклеотидов. Его концы (например, нуклеотиды А и Г) можно химически присоединить к любым двум местам длинной цепи, где стоят «родственные» им нуклеотиды Т и Ц. Если эти места далеки друг от друга, а олигомер достаточно короток, то для такого присоединения потребуется изогнуть длинную цепь и сблизить те ее участки, где должны крепиться концы олигомера. Но потом, соединившись с этими участками, олигомер будет уже сам удерживать цепь в таком изогнутом состоянии. Иными словами, он будет работать как скрепка.

Ротемунд начал с плоских структур. Но затем, спустя три года после его открытия, группа, в которую входили американские, немецкие и датские ученые, сумела создать, опираясь на метод Ротемунда, крайне важные – уже в прикладном смысле – трехмерные ДНК‑структуры. С помощью 250 олигомерных скрепок они «связали» из длинной ДНК шесть плоских квадратиков и соединили их в виде наноящика с открывающейся крышкой.

Этот успех, в свою очередь, вызвал новый поток работ, последней из которых (на момент написания этой книги в 2013 году) стало исследование гарвардских ученых Шона Дугласа и Идо Бахелета, с которого мы начали этот рассказ. В этой работе был сделан очередной шаг к практическому использованию ДНК‑оригами для борьбы с раковыми клетками. Но для того, чтобы понять, в чем состоит новизна этого шага, следует опять сделать небольшое отступление. Уже в 2009 году ДНК‑ящики были созданы не просто так, а для доставки лекарственного груза в нужные места организма. Они делались такого размера, чтобы в них умещались достаточно большие молекулы, обладающие способностью так или иначе вредить раковым клеткам. Эти ящики обладали своего рода «замками», которые позволяли крышке открываться только в присутствии раковых клеток, не раньше. Такие «замки» придумал еще в 1990 году гарвардский биохимик Шостак. Создав в пробирке случайную смесь ДНК‑олигомеров, он вводил в эту смесь различные биологические молекулы и смотрел, с каким олигомером та или иная такая молекула соединяется. После этого можно было использовать этот олигомер как средство распознания данной биомолекулы в любом научном эксперименте, где она появлялась. Шостак назвал эти распознающие ДНК‑олигомеры «аптамерами» и первым применил один такой аптамер для опознания белка тромбина, играющего важную роль в свертывании крови. Уже через несколько лет ведущие фармацевтические фирмы начали работы по созданию лекарств с присоединенным к ним аптамером, призванным «наводить» это лекарство на белок, который «повинен» в той или иной болезни.

Так вот, первые ДНК‑ящики были снабжены замком в виде аптамера, призванного «распознать» определенный белок на поверхности раковой клетки и соединиться с ним. В процессе такого соединения аптамер, согласно сделанным расчетам, должен был приподнять крышку ящичка и выпустить наружу находящуюся в нем молекулу, призванную убить раковую клетку. Уже тогда Ротемунд указал, что у такого «замка» есть недостатки – он может открываться преждевременно, потому что аналогичный белок может встретиться ему в другом месте, на какой‑нибудь другой клетке или в свободном виде. Упомянутая выше работа Дугласа – Бахелета как раз и была направлена на преодоление этого недостатка и, по мнению того же Ротемунда, сделала в этом направлении весьма существенный шаг. В этой работе ДНК‑оригами был сконструирован по компьютерной программе, разработанной Дугласом. В соответствии с этой программой ДНК и олигомеры сами собой складывались в пространственную структуру, имеющую вид «бочонка» диаметром 35 нанометров. Внутри этой структуры находятся двенадцать «крючков» (особых олигомеров) для «подвешивания» на них двенадцати разных видов противораковых молекул, а снаружи расположены еще два таких же «крючка» – для двух аптамеров. Эти два аптамера являются своего рода «замком с шифром»: «бочонок» открывается лишь в том случае, если они оба найдут свои цели на поверхности подозрительной клетки.

Авторы испробовали шесть разных комбинаций по два аптамера, каждая из которых была сконструирована специально для распознания белков на разных видах раковых клеток. Они показали, что, например, те «замки», которые были рассчитаны открываться в присутствии клеток лейкемии, действительно находят эти клетки в смеси нескольких видов злокачественных клеток – ошибок не было. Аналогичный результат был получен для «замков», предназначенных открывать «бочонок» при контакте с той или иной иммунной клеткой (в этом случае «груз» бочонка был предназначен для активизации работы этих клеток). Более того, они показали, что аптамеры можно запрограммировать так, чтобы они открывались только при контакте с раковой клеткой, находящейся на том или ином этапе развития. Это свидетельствует о том, какие обнадеживающие возможности таятся в программировании ДНК‑структур.

Теперь на очереди – испытание нового наноробота в условиях живого организма. Дуглас и Бахелет планируют начать с мышей. Они предвидят трудности, пути преодоления которых еще потребуют, возможно, дальнейших исследований. Некоторые из таких трудностей очевидны заранее. В живом организме циркулируют иммунные клетки, призванные распознавать и атаковать чужеродную ДНК. Далее, там имеются белки‑нуклеазы, каждый из которых способен разрывать связи внутри тех или иных ДНК. Это может вынудить исследователей покрывать свои нанороботы специальными защитными веществами. Кроме того, все такие нанороботы довольно быстро поглощаются печенью. Так что препятствий много. Но и новые пути обнаруживаются очень быстро.

Закончу показательным примером. Еще год назад считалось, что очень серьезной трудностью является доставка наноробота внутрь раковой клетки. А недавно группа оксфордских исследователей создала очередную структуру, которая показала способность проникать внутрь раковых клеток определенного типа и сохраняться там в течение почти 48 часов.

Когда б вы знали, из какого сора…

Что такое стволовые клетки, известно сегодня всем, включая грудных младенцев. Эти клетки образуются уже в эмбриональном состоянии, и такая эмбриональная стволовая клетка имеет возможность стать взрослой клеткой любого вида. К сожалению, потом, после рождения, когда эти клетки входят в состав нашего тела, они претерпевают ряд превращений, в результате которых постепенно теряют свои исходные возможности. Каждый раз, когда одна из немногих стволовых клеток нашего первичного запаса делится, она порождает двух дочерей, одна из которых находится на том же уровне возможностей, что и мама, а другая чуть поднимается по лестнице специализации, то есть приближается к взрослой клетке какого‑то конкретного вида.

Эмбриональные стволовые клетки замечательны тем, что могут заменить любую износившуюся или испорченную болезнью клетку взрослого организма. Но добывать клетки из эмбрионов по ряду причин нельзя, и поэтому ученые напряженно ищут пути создания стволовых клеток «в пробирке». Один такой путь нашел японский ученый Синья Яманака, который в 2012 году получил за это Нобелевскую премию по медицине. Он открыл способ превращения («индукции») взрослых клеток в подобие эмбриональных стволовых. Для отличия от настоящих эмбриональных их назвали индуцированными. Это большое достижение, потому что оказалось, что такие клетки можно потом превратить в пробирке в любые нужные взрослые и подсадить больному. Правда, вскоре выяснилось, что при введении таких клеток в подопытную мышь у нее возникают зловещие предвестники опухолей. Поэтому сегодня Яманака и его последователи заняты поиском путей преодоления этой опасности.

Тем временем другие исследователи решили пойти совсем другим путем. В отличие от Яманаки они стали искать способ прямого, без промежуточных этапов, превращения взрослой клетки одного типа – например, кожной – во взрослую клетку или в клетку‑предшественницу другого типа – скажем, кровяную. Это, конечно, более скромный «замах», потому что метод Яманаки позволяет создать источник взрослых клеток любого типа, тогда как в «прямом» методе речь идет о клетках‑предшественницах, которые способны превращаться только в «свой» вид взрослых клеток. Но зато достичь цели оказалось много легче – в последние годы появилось множество работ, в которых сообщалось об успешном «прямом» превращении разных взрослых клеток в клетки‑предшественницы других видов, в том числе даже в предшественницы нейронов. Так, в 2011 году группа биологов под руководством доктора Вернига из Стэнфордского университета (США) сообщила в «Докладах Американской академии наук» об успешном превращении клеток мышиной и человеческой кожи напрямую в нейроны, минуя предшественников (причем эти нейроны проявили способность нормально проводить нервные сигналы). А в конце 2012 года та же группа сумела произвести превращение клеток кожи в клетки‑предшественницы нейронов.

Может возникнуть вопрос: к чему предшественницы, если уже получены сами нейроны? Дело в том, что созданные «прямым» путем нейроны проявили такую же малую способность к делению, как и нормальные нейроны мозга. Поэтому нельзя рассчитывать получить таким путем нужное количество «запасных» нейронов для лечебных и исследовательских целей. Напротив, клетки‑предшественники нейронов, полученные во втором эксперименте, оказались подходящими для этого. Они обнаружили и другое преимущество – способность превращаться не только в нейроны, но также в два других типа клеток нервной ткани, астроциты и олигодендриты. Это очень важные для мозга клетки. Астроциты (они названы так за свою звездообразную форму) обеспечивают защиту нейронов и очищают мозг, поглощая отжившие нервные клетки, а олигодендриты вырабатывают белок миелин, который покрывает изолирующим слоем аксоны (длинные отростки нейронов, идущие во все участки тела); такая изоляция нужна для надежного проведения сигналов на большое расстояние.

Производились эти многообещающие эксперименты следующим образом. Сначала в клетки мышиной кожи вводился обезвреженный вирус с присоединенными к нему тремя генами, которые, как было известно из других исследований, всегда присутствуют в нервных клетках‑предшественницах, и притом присутствуют в больших количествах, то есть являются характерными для этих клеток. Как только эти гены встраивались в мышиную ДНК, клетка из кожной превращалась в предшественницу нервных. Этот факт был подтвержден дважды. Сначала в лаборатории было показано, что полученные таким способом клетки имеют те же гены и ту же форму, что и нормальные нейронные предшественницы. Затем экспериментаторы ввели эти клетки в мозг новорожденной мыши, предварительно лишенной способности производить миелин, и через 10 недель миелин на аксонах у нее появился. Это могло произойти только в том случае, если пересаженные клетки и в самом деле превратились в олигодендритные и начали функционировать точно так же, как нормальные олигодендритные клетки.

Исследования этого типа открывают путь к будущему изучению (прямо в пробирках) реакций нервных клеток разного типа на те или иные новые средства борьбы с заболеваниями нервной системы. И не исключено также, что пересадка «искусственных» нейронов «прямого изготовления» откроет путь к лечению таких заболеваний. В этой связи у специалистов возник новый вопрос – как найти достаточно простой и удобный источник тех взрослых клеток, которые можно будет прямым путем превращать в необходимые для лечения предшественники нервных? И вскоре китайские ученые из Института биомедицины и здоровья Академии наук Китая дали ответ, сообщив, что им удалось превратить в предшественники нейронов клетки почек, выловленные из… мышиной мочи. Полученные ими клетки через четыре недели после введения в мозг мыши приобрели форму и все молекулярные признаки настоящих нейронов. Моча, как известно, выносит из организма много различных клеток, а о простоте ее получения нечего и говорить, так что, если результаты китайских ученых будут подтверждены, проблему «сырья» для прямого метода можно будет считать решенной.

Как тут не вспомнить Ахматову с ее «Когда б вы знали, из какого сора растут стихи, не ведая стыда…» Теперь мы знаем из какого.