Пресс-центр / новости / Наука /

Физики научили наночастицы выполнять логические операции

Как поясняют ученые, 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, например, появляться лекарственное вещество, осуществляющее терапевтическое воздействие на клетку или организм. Например, современные биоинженерные методы позволяют заставить клетку светиться разными цветами — или даже запрограммировать ее гибель, связав инициацию апоптоза с определенным результатом бинарных операций.

Бинарные операции являются основой логики, на которой работают все современные электронно-вычислительные системы. Аналогично, логические операции внутри клеток или в искусственных биомолекулярных системах рассматриваются многими учеными 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.

Максим Никитин — ведущий автор исследования, младший научный сотрудник лаборатории молекулярной иммунологии ИБХ РАН и лаборатории биофотоники ИОФ РАН, — уточняет, что вычисления с использованием биомолекул (или биокомпьютинг) внутри клеток сейчас широко развивается, так как это позволяет использовать биомолекулярный клеточный инструментарий. А вот вычисления вне клеток реализовать сложнее. За пределами клетки нет никаких естественных структур, которые могли бы помочь провести вычисления, однако в новой работе речь идет именно о внеклеточном биокомпьютинге. Двоичными вычислениями с помощью биомолекул (на основе ДНК, РНК и белков) во всем мире занимаются уже более десяти лет, но в новой работе Максим Никитин и его соавторы впервые предложили и экспериментально подтвердили способ, в котором любая логическая функция может быть выполнена нано- или микрочастицей.

Причем данный подход не просто развивает методы биомолекулярных вычислений. Он позволяет совершенно по-новому контролировать биомедицинское поведение нано- и микрочастиц. В перспективе это позволит разработать принципиально новые материалы для направленной доставки лекарств в клетки-мишени или создать новые методы анализа крови и иных биоматериалов.

Подчеркнем, что приставка «нано-» в данном случае вовсе не дань моде и не простая формальность. Уменьшение размеров частиц иногда радикально меняет физические и химические свойства вещества, поэтому «наночастицы» — это далеко не то же самое, что просто мелкая пыль. С уменьшением размеров растет реакционная способность, а очень маленькие полупроводниковые частицы могут, например, получать способность к флуоресценции. (О таких частицах, называемых квантовыми точками, см. рассказ сотрудника ИБХ В. А. Олейникова «Квантовые точки — наноразмерные сенсоры для медицины и биологии».) Уникальные свойства наночастиц могут быть полезны для создания диагностических и терапевтических агентов с широким спектром функциональных возможностей. В описываемой работе использовались как нано- (то есть 100 нанометров), так и микро- (3000 нм или 3 микрометра) частицы.

Вычисления наночастицы производят за счет специально подобранного по составу внешнего слоя, который по-разному «разбирается» при воздействии различных комбинаций входных сигналов, или входов. (Под «входом» здесь подразумевается наличие определенного вещества, появление которого ученые рассматривали как сигнал на входе логического элемента.) Так, на рисунке ниже показаны схемы устройства всех слоев для реализации функционально полного набора логических функций.

Например, для реализации логического «И» сферическая наночастица покрывалась слоем молекул, которые удерживали вокруг частицы слой сфер меньшего диаметра. Такие молекулы, как замки, удерживающие внешнюю оболочку, были двух типов. Каждый тип молекул реагировал только на свой вход, и при контакте одновременно с двумя разными веществами происходило отделение малых сфер от поверхности большей по диаметру наночастицы. Удаление внешнего слоя обнажало активные участки внутренней частицы, на которых был рецептор (первоначально скрытый под слоем малых сфер), позволявший частице взаимодействовать со своей мишенью. Таким образом, ученым удалось заставить частицы обработать биохимическую информацию и сгенерировать из двух входных сигналов один результат.

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. (О ДНК-компьютинге читайте статью «Голактеко опасносте: ДНК-роботы в живом организме».) Для демонстрации этого, в новой работе для скрепления наночастиц друг с другом были выбраны антитела. Эти естественные белки иммунной системы имеют небольшой активный участок, который реагирует только на определенные молекулы; высокая избирательность антител используется организмом для адресной нейтрализации бактерий и других патогенов.

Убедившись в том, что сочетание наночастиц разных типов с антителами способно реализовывать разного рода логические операции, исследователи также продемонстрировали возможность применения их для адресного взаимодействия с раковыми клетками. Ученые получили не просто наночастицы, которые могут связываться с клетками определенного рода, а частицы, которые начинают искать клетки-мишени при одновременном выполнении двух разных условий, при наличии или отсутствии вокруг двух разных молекул. Такой дополнительный контроль в будущем может пригодиться для более точного уничтожения раковых клеток с минимальными последствиями для здоровых тканей и органов.

Чтобы пояснить на простом примере, зачем могут быть нужны подобного рода биокомпьютеры, можно представить себе такую биокомпьютерную систему, которая выполняет логическую функцию (А)—И—(НЕ—Б), отслеживая уровень сахара (сигнал А) и инсулина (сигнал Б) в крови. В случае получения сигнала А (сахара много) И сигнала НЕ—Б (инсулина мало) такая система дает команду на повышение уровня инсулина.

Еще можно представить частицу, которая отслеживает уровни факторов свертывания крови и регулирует уровень антикоагуляционных лекарств в крови. Также интересными могут оказаться системы доставки лекарств, активирующиеся только в определенных условиях — например, в области воспалений (за счет чувствительности к различным цитокинам) или в опухолях.

Как говорит Максим Никитин, что хотя это всего лишь один из очередных малых шажков на пути к созданию эффективно работающих нанобиороботов, данная область науки чрезвычайно интересна, захватывающа и дает широкое поле для научной фантазии, если только провести аналогию между возможным прогрессом от этих первых работ в нанобиокомпьютерах и скачком от первых диодов или транзисторов до современных электронных компьютеров.

Работа исследователей опубликована онлайн на сайте журнала Nature Nanotechnology — одного из самых престижных научных изданий мира (в области нанотехнологий он считается первым по импакт-фактору; ИФ = 33). Исследование, выполненное в условиях сложного доступа российских ученых к редким реактивам, протекало достаточно непросто. Об этих нюансах Максим Никитин рассказал в своем интервью «Газете.ру».

Оригинальная версия пресс-релиза была опубликована на сайте МФТИ.

21 августа 2014 года

Источник: http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2014.156.html

<form action="" method="post" class="commentForm" id="commentForm-{0}"> <input type="hidden" name="pressId" value="1008" /> <input type="hidden" name="parentId" value="{1}" /> <input type="hidden" name="id" value="{2}" /> <txt name="comment_text" id="comment_text">{3}</txt> <input type="button" class="button" value="Комментировать" /> <a class="button" href="javascript:void(null)">Отмена</a> <span class="wait">Подождите немного...</span> <div class="clear"></div> </form>