Молекула-флешка, молекула-сенсор, молекула-лекарство… Молекула-легенда! Всё это про ДНК. Тщательное её изучение на протяжении более чем полувека показало, что ДНК способна не только надёжно хранить информацию о нашем устройстве, передаваясь из поколения в поколение. Она ещё может пригодиться в быту. И вот какие нанотехнологии на основе ДНК можно реализовать уже сегодня.
Белкам пора на пенсию
В живых клетках повелось так, что ДНК отвечает лишь за наследственную информацию, а всю работу по биохимии тянут на себе белки. Весь мудрёный цикл Кребса лежит на плечах белков. Расщепление всего, что мы поедаем, создание копий и ремонт ДНК — тоже их зона ответственности. Нуклеиновые кислоты могут справляться с ферментативной функцией белков ничуть не хуже, только в природе почему-то встречаются лишь у немногочисленных видов и только РНК. Учёные же синтезировали ферменты на основе ДНК — ДНКзимы (они же дезоксирибозимы), способные катализировать химические реакции. И даже придумали, как с помощью таких ДНКзимов лечить астму, некоторые виды рака и даже редактировать геном для лечения болезни Хантингтона.
Многие разработки уже проходят клинические испытания на людях. Ещё ДНК вполне может заменить антитела. По своей природе антитела — это огромные белки Y-образной формы, которые должны своей вилкой распознавать чужие молекулы-мишени и прочно с ними связываться. С этой функцией вполне справляются и синтезированные в пробирке ДНК-аптамеры. Если антитела орудуют «вилкой», то у ДНК-аптамеров вместо неё одноцепочечное лассо. Если искусственные антитела синтезировать дорого и сложно, то аптамеры — проще и дешевле.
Уже сейчас испытывают лекарство от возрастной макулодистрофии (основная причина слепоты у людей старше 55 лет) на основе ДНК-аптамеров. Другие аптамеры прочат в перспективные агенты для ранней диагностики и терапии рака. Третьи собираются использовать для нейтрализации токсинов белковой природы, четвёртые — в качестве биосенсоров для адресной доставки лекарств.
Органическое LEGO
ДНК-оригами — необычайно остроумное и имеющее множество возможных применений направление ДНК-нанотехнологий. Оно использует устойчивые трёхмерные строительные блоки ДНК и основано на природном стремлении молекулы воссоединить комплементарные, то есть соответствующие друг другу цепочки. Благодаря нему такие наноразмерные конструкции «собирают себя сами». Готовые структуры могут использоваться для адресной доставки лекарств к месту «работы» или даже для получения механизмов молекулярного размера. А можно и просто поскладывать из ДНК эмодзи или что посложнее.
Cамая hi-tech-молекула Если в клетке ДНК кодирует информацию, то почему бы не акодировать в ней что-либо ещё? Если в компьютерах всё кодируется нулями и единицами, то можно перейти на 4-буквенный код и сделать альтернативную биоэлектронику.
И первые шаги в реализации этих идей уже сделаны. ДНК-криптография — это кодирование информации, которую необходимо защитить от постороннего доступа. С помощью ДНК. При этом самым употребляемым символам «человеческого языка» (а именно цифрам и английским буквам) ставятся в соответствие определённые последовательности ДНК.
ДНК-компьютер — перспективное направление совершенно не биологического применения ДНК. Производительность современных компьютеров очень выросла, однако её ограничивают физические возможности имеющихся микросхем на основе неорганических соединений (в их составе кремний и другие элементы). Переход к молекулярной машине, в частности, использующей в качестве основы ДНК, позволит многократно снизить стоимость устройства и сделать его гораздо более компактным.
Наноразмерные компьютеры используют принцип комплементарности (взаимного соответствия двух цепочек ДНК) и связанные с нею биохимические процессы. Первые прототипы уже получены и продолжают совершенствоваться. Более того, ДНК может работать в качестве своеобразной вечной флешки — хранилища любой цифровой информации. На ДНК уже записали небольшие мультфильмы, а молекула с аудиозаписью выступлений Deep Purple и Майлса Дейвиса на джазовом фестивале в Монтрё включена в программу ЮНЕСКО «Память мира».
Возможно, вскоре ДНК станет универсальным хранителем информации, каким сейчас является жёсткий диск или твердотельный накопитель, ведь у органической молекулы есть ряд преимуществ: её изготовление обходится дешевле, а сама она компактнее и долговечнее. Архивы с семейными фотоальбомами на ДНК можно будет передавать из поколения в поколение. ДНК ведь нa редкость долговечная молекула: благодаря этому её свойству учёные сейчас «читают» генетический материал возрастом миллион лет.
Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» № 44 2020 г.