Молекулярные роботы института SCAMT

Год от года роботы становятся всё более совершенными и востребованными. Но что может быть совершеннее ДНК? Дмитрий Колпащиков, руководитель лаборатории SCAMT, ИТМО, рассказал нам, как создаются ДНК-роботы и для чего они необходимы

Дмитрий Колпащиков.
Фотография университета ИТМО

Говоря о роботах, многие представляют больших промышленных гигантов, которые собирают автомобили, машинных «ассистентов» на трудных хирургических операциях, маленьких помощников в быту, которые могут освободить драгоценные минуты времени для взрослых, например, взяв на себя одну из важнейших задач - держать в чистоте пол, или занять детей на какое-то время. Роботы имеют множество применений, но не так давно появилось ещё одно многообещающее направление – молекулярные роботы. Разобраться с тем, что это за направление, и для чего нужны такие роботы, нам помог Дмитрий Михайлович Колпащиков, профессор химии в университете центральной Флориды, по совместительству руководитель лаборатории Молекулярной робототехники и биосенсорных материалов института SCAMT при университете ИТМО.

— Дмитрий, не могли бы вы для начала рассказать, чем занимается ваша лаборатория в ИТМО?

- Наша лаборатория в университете ИТМО разрабатывает подходы для эффективного и селективного узнавания нуклеиновых кислот ДНК и РНК. Основная практическая цель – разработка новых эффективных методов диагностики и терапии. На самом деле, многие научные группы работают над улучшением диагностики и терапии. Специфика нашей работы в том, что наш подход отличается оригинальными техническими решениями, общими принципами распознавания ДНК и РНК. Они заключаются в создании сложных молекулярных конструкций, которые мы называем ДНК-машинами. Эти конструкции сделаны, в основном, из ДНК, хотя есть и РНК фрагменты. Это усложнение на молекулярном уровне может упростить как диагностику, так и терапию. Другими словами, для узнавания и связывания ДНК и РНК мы создаём сложные конструкции из ДНК и РНК, следуя философии «Подобное постигается подобным».

— А какие цели поставлены перед этими ДНК-машинами?

- На этот вопрос гораздо проще ответить со слайдами. ДНК – это биологический полимер, состоящий из 4-х разных нуклеотидов, которые обозначены буквами A (аденин), T (тимин), C (цитозин), G (гуанин). Почему ДНК? – Потому что можно сделать так, чтобы одна цепь ДНК была присоединена к другой цепи ДНК за счёт так называемых уотсон-криковских пар оснований, когда A связывается с T, и G связывается с C.

Биологические ДНК очень длинные. Например, одна из человеческих хромосом содержит 250 млн. пар оснований, однако мы работаем с очень короткими полинуклиотидами ДНК. Мы заказываем дизайн каждого из нуклиотидов в компании, после чего уже самостоятельно смешиваем эти нуклиотиды и получаем некие структуры.

Из презентации Дмитрия Колпащикова. ДНК-нанотехнологии

Такой подход относится к так называемой ДНК-нанотехнологии. Иллюстрация – пример того, что может ДНК-нанотехнология. Такая технология как ДНК-оригами придумана не нами, мы даже не используем её, но она позволяет сложить длинную (на картинке указана чёрным) ДНК цепь в любую структуру. Точно так, как мы складываем лист бумаги в произвольную структуру – оригами. Это очень мощная технология, которая позволяет вначале предсказать нужную структуру, затем получить её буквально за один-два дня в больших количествах.

Из презентации Дмитрия Колпащикова. «Паучок» из ДНК

Так можно нарисовать, например, карту Америки и другие изображения. Используя другие технологии можно создать движущиеся объекты, например некого движущегося паучка или корову. То есть эта технология позволяет делать такие вещи но, к сожалению, нет ни одного практического применения такой ДНК-нанотехнологии. Наша задача, используя инструмент ДНК-нанотехнологий, решить какие-то практические проблемы, в частности, улучшить, так называемые, гибридизационные зонды, которые используются как в диагностике, так и в терапии человеческих заболеваний.

Из презентации Дмитрия Колпащикова. Бинарный дезоксирибозимный зонд

Гибридизационный зонд – это короткий фрагмент ДНК, который комплементарен, то есть может связаться с природной ДНК или РНК, объектами нашего исследования. Этот подход используется в современных диагностических целях, таких как ПЦР (Примечание: ПЦР - полимеразная цепная реакция – метод молекулярной биологии) в реальном времени, либо на ДНК чипах, этот же подход используется в генной терапии. Один из генно-терапевтических подходов к лечению человеческих заболеваний или вирусных заболеваний может использовать короткие полинуклеотиды, но современные технологии, которые используют гибридизационные зонды, недостаточно селективны и эффективны. Мы пытаемся улучшить их. Фактически, мы пытаемся изменить гибридизационный зонд таким образом, чтобы он работал так, как нам нужно.

Объекты, которые мы получаем, довольно сложные. Есть некая ДНК или РНК, которую мы должны распознать. Для этого мы синтезируем две ДНК цепи, каждая из которых связывается в своём месте, но они также привносят дополнительную функцию, соединяясь друг с другом. Эта функция позволяет увеличить чувствительность нашего сенсора. С другой стороны, у нас также увеличивается и селективность, за счёт гибридизации короткого фрагмента анализируемой ДНК или РНК. Также мы можем очень плотно связать анализируемую ДНК или РНК за счёт образования очень длинного комплекса, таким образом, у нас получается многофункциональная система. С одной стороны, она селективна, с другой, она связывается с высокой степенью сродства, а также имеет и третью функцию – сигнальную, благодаря которой у нас получается флуоресцентный сигнал.

На следующей иллюстрации изображена одна из самых сложных структур, которые мы разработали. Эта ДНК-машина имеет ещё больше функций. Пример иллюстрирует, как мы меняем относительно простые конструкции, которые используются сегодня в практике. Мы их усложняем и делаем многофункциональным.

Из презентации Дмитрия Колпащикова. Мультифункциональная ДНК-машина

— Дмитрий, можно ли назвать то, чем занимается ваша лаборатория генной инженерией?

- Мы не занимаемся непосредственно генетическим модифицированием организмов. Хотя инструменты, которые мы разрабатываем, способны изменить экспрессию генов в клетках. Эта область смежная с генетической инженерией, но не совсем она.

— Хотелось бы у вас уточнить: вы находитесь во Флориде, но при этом, руководите лабораторией, которая находится в Санкт-Петербурге, в ИТМО. Как происходит процесс взаимодействия команды, которая расположена довольно далеко друг от друга?

- Да, действительно, у меня две лаборатории, одна в США, другая в России. Основной тематикой моей американской лаборатории является создание компьютера на основе ДНК, то есть это биосовместимый аналог компьютера, который мог бы управлять клеткой. И эта тематика немного другая, чем темы, которые мы развиваем в российской лаборатории. Конкретно в лаборатории SCAMT мы рассматриваем приложение наших технологий в диагностике и терапии, а современные дистанционные технологии позволяют эффективно руководить группой в университете ИТМО, находясь даже в Америке. Это подтверждается тем, что мы публикуем статьи в ведущих журналах, выпускаем студентов по высоким стандартам и развиваемся с большим энтузиазмом.

Большой вклад, конечно, вносит структура нашего подразделения института SCAMT. Думаю, что это одна из лучших образовательных структур в России, возможно и в мире.

Но и никакие средства связи и административная структура не могла бы наладить нашу работу, если бы не отдельные выдающиеся личности в моей российской лаборатории. Только благодаря работе моих аспирантов возможна такая энергетика, которая движет нас вперёд.

— Получается ваша лаборатория, которая находится в Санкт-Петербурге, в основном, состоит из аспирантов?

- На сегодняшний день в нашей лаборатории три аспиранта и один пост док, в основном же в лаборатории работают магистранты первого и второго года обучения, всего около 25 человек.

— Все они участвуют в разработке ДНК роботов или их исследования различаются?

- Структура лаборатории такова: у нас две группы исследователей, одна группа направлена на терапию, на создание терапевтических ДНК машин, другая направлена на создание диагностических ДНК машин. В каждой из групп есть и свои направления. Например, если мы говорим про диагностику, то есть разделение групп по диагностике определённых заболеваний. Кто-то занимается диагностикой возбудителей менингита, вирусных заболеваний, в том числе короновируса. Также есть разные гибридизационные зонды разных типов. Какой-то тип производит флуоресцентный сигнал, какой-то производит изменение окраски. А если говорить о терапевтической группе, то часть занимается апробированием наших ДНК машин в экспериментах в бесклеточных средах, а часть проверяет наши конструкции на человеческих клетках.

— Дмитрий, а давно ли учёные стали задумываться о создании мельчайших помощников? В 2016 году Жан-Пьер Соваж получил Нобелевскую премию за проектирование и синтез молекулярных машин. Вы используете и развиваете его идеи или у ваших разработок свои собственные принципы?

- У нас свои принципы. Молекулярные машины досконально изучаются молекулярными биологами на протяжении более чем 70 лет. Любой фермент попадает под категорию молекулярной машины, просто этот термин стал применяться не так давно относительно биологических молекул. Например, такие комплексы, как рибосомы, репликационная вилка, или транскрипционный комплекс – не что иное, как сложные молекулярные машины. Жан-Пьер Соваж, а также его коллеги Фрейзер Стоддарт и Бернард Феринг получили Нобелевскую премию по химии в 2016 году за создание молекулярных машин. Их разработки основаны на органических молекулах. Они создали молекулярные машины достаточно давно, в 80-х годах, я помню их ещё по учебникам органической химии, когда учился в университете. Их молекулы очень необычные. На тот момент мне это казалось чем-то из области фантастики. Действительно, они изменили представления о том, что можно сделать из органических молекул. Соответственно, они совершенно заслуженно получили премию именно за фундаментальный вклад в органическую химию. С другой стороны, все разработки, которые были сделаны в области машин на основе органических молекул, на сегодняшний день, не имеют никакого применения. Мы же создаём машины на основе ДНК с конкретной практической целью – терапия и диагностика.

— Дмитрий, а не могли бы вы уточнить, с какого момента начались эти разработки и когда по самым оптимистичным прогнозам они могут быть готовы?

- В университете ИТМО наша лаборатория функционирует с 2017 года, получается, уже 3,5 года, как мы начали терапевтическое направление. Если говорить о терапии, то это, конечно, затяжной проект, поскольку любой терапевтический препарат должен быть надёжным. Мы не надеемся что-то произвести в ближайшие 2-3 года. С другой стороны, в диагностическом плане, мы, наверное, будем способны помочь нашей диагностике в ближайшее время. В частности, наша лаборатория работает над созданием теста для возбудителей менингита, этот проект уже достаточно хорошо продуман.

— Как вы считаете, ваши исследования способны через какое-то время получить Нобелевскую премию?

- Я думаю, что если мы решим те задачи, которые мы перед собой ставим, то такая работа будет достойна Нобелевской премии. Но всё зависит от нас.

— Дмитрий, помимо молекулярных роботов ваша лаборатория занимается и умными ДНК-структурами. Это другое название нанороботов или это совершенно другое направление деятельности?

- Умные ДНК-структуры скорее то же самое, что ДНК - машины, я бы не стал использовать термин ДНК-нанороботов. Конечно, терминология немного размыта, потому что область новая. Используя эту терминологию мы подразумеваем, что ДНК-машина должна обладать всего двумя функциями: узнавания некоего сигнала из окружающей среды и функцией действия. Тогда как робот в дополнение к этим двум функциям обладает и третьей, коротко говоря – он как компьютер, может анализировать информацию, которую получает из окружающей среды в достаточно сложной манере и способен принимать решения независимо от человека. То есть он работает автономно. Функция автономной работы на сегодняшний день отсутствует во всех ДНК-машинах, «ДНК-роботах», молекулярных машинах, биологических машинах. Фактически, ДНК робота ещё нет в природе. Задача нашей лаборатории как раз создать такой робот на основе ДНК, поэтому лаборатория и называется лабораторией молекулярной робототехники.

— Дмитрий, хотели ли бы вы рассказать нам ещё о чём-то, чего мы не коснулись во время нашей беседы?

— Мы всё время говорили про наши практические цели, про терапию, диагностику. Но я бы хотел дополнительно подчеркнуть ещё и то, что научный, фундаментальный компонент тоже нельзя отбрасывать. Мне бы, конечно, хотелось поставить наши разработки на чёткую базу фундаментальной науки с математическим описанием, компьютерным моделированием, которые предсказывали бы сложные действия наших ДНК конструкций. Думаю, что это могло бы стать серьёзным вкладом в фундаментальную науку.