http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=5dae36a8-3f5b-453f-9984-c749a2362e84&print=1© 2024 Российская академия наук
Важный шаг на пути к созданию медицинских нанороботов сделали исследователи из Института общей физики Российской академии наук, Института биоорганической химии РАН и Московского физико-технического института. Они наделили нано- и микрочастицы способностью производить логические вычисления с помощью биохимических реакций. Детали представлены в журнале Nature Nanotechnology, и это первая за несколько лет экспериментальная работа, сделанная и опубликованная исключительно российским коллективом (без зарубежных аффилиаций) в одном из самых цитируемых научных журналов (импакт-фактор – 33).
Как поясняют ученые в своей работе, их работа развивает идею вычислений при помощи биомолекул. Если в электронных цепях логические элементы оперируют током или напряжением (есть напряжение – «1», нет – «0»), то в биохимических системах на выходе может быть, например, появление какого-то определенного вещества, которое может осуществлять терапевтическое воздействие на биологические системы. Например, современные биоинженерные методы позволяют заставить клетку светиться разными цветами – или даже запрограммировать ее гибель, связав инициацию апоптоза с определенным результатом бинарных операций.
Логические операции внутри клеток или в искусственных биомолекулярных системах рассматриваются многими учёными как путь к управлению биологическими процессами и к появлению полноценных микро- и нанороботов, способных, например, доставлять лекарство строго по расписанию в те места, где оно необходимо. Такие устройства – это та «волшебная пуля», о которой писал еще Пауль Эрлих (1854–1915), основоположник химиотерапии.
Максим Никитин, ведущий автор исследования, пояснил, что вычисления с использованием биомолекул (или биокомпьютинг) внутри клеток сейчас широко развивается, так как в таком случае можно использовать биомолекулярный клеточный инструментарий. А вот вычисления вне клеток реализовать сложнее. За пределами клетки никаких естественных структур, которые могли бы помочь провести вычисления, нет, однако в новой работе речь идет именно о внеклеточном биокомпьютинге. Исследование открывает путь к «волшебной пуле» и при этом существенно отличается от предыдущих работ по биокомпьютингу как вне, так и внутри клеток.
Вычисления наночастицы производят за счёт специально подобранного по составу внешнего слоя, который по-разному «разбирается» при воздействии различных комбинаций входов (под «входом» подразумевается наличие определенного вещества. Появление его молекул ученые рассматривали как сигнал на входе логического элемента). Например, для реализации логического «И» сферическая наночастица покрывалась слоем молекул, которые удерживали вокруг частицы слой сфер меньшего диаметра.
Ученые подчеркнули, что данная концепция фактически безразлична к типам молекулярных замков. Это первая платформа, которая способна реализовать любую логическую функцию (по крайней мере, для двух входов) без использования молекул ДНК. Для демонстрации этого, в новой работе для скрепления наночастиц друг с другом были выбраны антитела.